“La más bella dicha del hombre pensante es haber investigado lo investigable y venerar tranquilamente lo inexplorable”.
—Goethe, Máximas reflexiones.
“El problema acerca de lo histórico, como el origen de la vida, tiene una breve y clara respuesta: ‘nosotros no lo podemos saber’”.
—Manfred Eigen(1927-2019)
Un Universo sensible
Es un día de trabajo como cualquier otro en el edificio 24 del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés): el meteorólogo Edward Lorenz y su asistente, Ellen Fletcher, ingresan a la computadora Royal McBee LGP-30 —que ocupa casi toda la oficina y hace un ruido que ahuyenta la conversación— un conjunto de parámetros para simular el tiempo meteorológico de un par de meses usando tan sólo tres ecuaciones diferenciales.
En lo que estaban los cálculos, Lorenz fue por un café para matar el tiempo. Sin embargo, por alguna razón, aquel día de 1961, Lorenz detuvo la computadora e ingresó otras condiciones iniciales en las ecuaciones, las cuales diferían en milésimas de las originales. Conforme las soluciones se imprimían en aquellas hojas que recuerdan a las sábanas de contador, Lorenz notó que éstas divergían con respecto a las originales después de un tiempo. Es decir, parecía como si las series de tiempo —las soluciones de las ecuaciones diferenciales— hubieran surgido de las ecuaciones usando parámetros completamente distintos.
Tras descartar la posibilidad de errores de redondeo que se hubieran amplificado en las soluciones, Lorenz llegó a la conclusión de que esta extrema sensibilidad a las condiciones iniciales era una propiedad inherente de las ecuaciones que modelaban el clima: no importa qué tan pequeñas sean las diferencias al inicio de la simulación, llegaría un momento a partir del cual las soluciones seguirían caminos completamente distintos.
El descubrimiento de Lorenz inauguró la ciencia del caos y, con el aleteo de su mariposa, nos arrebató la posibilidad de conocer con exactitud tanto el pasado como el futuro, aunque partamos de un presente controlado a una escala tan microscópica que sus dígitos de precisión se pierdan en el infinito de la sinrazón.
La existencia de sistemas caóticos, como el clima y su sensibilidad a las condiciones iniciales, invita a la reflexión sobre algunos temas científicos y filosóficos, como el del surgimiento de la vida en la Tierra. Especulando un poco: si lo que vemos y catalogamos como “vida” en este planeta es un sistema caótico y, por ende sensible en extremo a las condiciones iniciales, ¿qué otras formas de vida habrían surgido si las condiciones en la sopa primigenia hubieran sido distintas a las que conocemos hoy? ¿Qué tan diferentes serían de lo que conocemos actualmente o por registros fósiles? Es una pregunta que, apenas formulada, en nuestra mente parece remitirnos a criaturas imaginadas en películas de ciencia ficción.
Alguien que ha explorado la “sensibilidad” de este universo para albergar vida es el astrónomo real de Gran Bretaña, Sir Martin Rees. Él postula que nuestro universo posee las características para ser habitable debido a tan sólo seis números. El primero de ellos está relacionado con la fuerza de cohesión atómica, particularmente el proceso de fusión nuclear que ocurre en las estrellas donde se transforma el hidrógeno en helio, así como en otros elementos químicos. Si este número fuera menor a 0.007 —su valor nominal en este universo—, digamos 0.006, se hubiera formado únicamente el hidrógeno, excluyendo la posibilidad de que se configuraran los demás elementos químicos y, con ello, no hubieran existido las reacciones que dieron paso a la vida. Por el contrario, si el número fuera mayor, pongamos 0.008, la fusión nuclear del hidrógeno durante los primerísimos instantes después del Big Bang hubiera sido tan rápida que el hidrógeno se hubiera consumido completamente, dejando sin posibilidad la síntesis de nuevos elementos químicos y reacciones más complejas.
Los cinco números restantes se relacionan con el papel de la gravedad y la estructura de los átomos, la densidad de la materia y la magnitud de ciertas irregularidades en el universo durante su expansión (así como la antigravedad cósmica que la regula), y el número de dimensiones espaciales. Si cualquiera de estos números no tuviera el valor nominal, si fuera ligeramente distinto, el universo no habría evolucionado a lo que es actualmente: no habría variedad de elementos químicos ni planetas que sirvieran como cajas de Petri cósmicas para la aparición de moléculas complejas que evolucionaran hasta formar vida.
Teóricamente, pueden existir múltiples universos donde las combinaciones de parámetros sean distintas a los valores nominales que conocemos en el nuestro y se desarrolle la vida. Sin embargo, la teoría también postula que la comunicación entre múltiples universos no puede existir. Por lo tanto, es muy probable que nunca sepamos qué otros parámetros cósmicos posibilitan la aparición de otras formas de vida.
Lo que intuimos con la investigación de Martin Rees es que podríamos decir que la maquinaria del universo es bastante sensible a las condiciones iniciales: pequeñas desviaciones en el valor nominal conducen a escenarios completamente distintos.
Así pues, si no es posible echar un vistazo a otros universos para indagar sus valores nominales que permitieron el desarrollo de la vida, volvamos al nuestro y, en particular, a lo que se conoce como sopa primordial.
Sopa primordial y complejidad química
Uno de los pioneros en simular en el laboratorio los océanos y la atmósfera de la Tierra primitiva fue Stanley L. Miller. Su experimento de 1953 buscaba probar la hipótesis propuesta por Aleksandr Oparin: los compuestos orgánicos podrían formarse a partir de aquellos inorgánicos en las condiciones imperantes hacía miles de millones de años en la Tierra. Miller, con ayuda de Harold C. Urey, montó un matraz donde ingresó metano, amoniaco, agua e hidrógeno, en lugar de dióxido de carbono, nitrógeno, oxígeno y agua, como lo sugería Oparin. Adicionalmente, sometió la mezcla de gases a descargas eléctricas —una imitación de los relámpagos—, mientras el agua evaporada se condensaba en el matraz, creando ciclos de evaporación-condensación que enriquecían la atmósfera al interior del matraz.
Después de una semana, Miller analizó el contenido de su “sopa primordial” y encontró que se habían formado varios compuestos orgánicos, principalmente aminoácidos —glicina, alfa y beta-alanina—, compuestos químicos que son los ladrillos de construcción de las proteínas, las cuales desempeñan funciones críticas en los seres vivos. Otro detalle interesante fue que la concentración de aminoácidos en la mezcla no era aleatoria, sino que era significativamente más elevada que el resto de los compuestos formados en el experimento. Así, Miller demostró que pueden obtenerse compuestos orgánicos de relevancia bioquímica (aminoácidos) a partir de compuestos más sencillos.
Ahora bien, volviendo al asunto de la sensibilidad. ¿Qué pasaría si el agua de aquel caldo primigenio se perturbara ligeramente, inclusive a un nivel atómico? En otras palabras, ¿qué podría pasar si en lugar de agua (H2O) en la sopa primordial, hubiera agua deuterada (D2O), donde el deuterio es un isótopo estable del hidrógeno?
El deuterio difiere del hidrógeno en un neutrón; es decir, su núcleo contiene un protón y un neutrón, mientras que el núcleo del hidrógeno sólo tiene un protón. Esto parece una nimiedad pero, ¿tendrá un efecto cuantificable en la generación de moléculas complejas como los aminoácidos del experimento de Miller? Parece ser que sí.
Miller en el mundo del deuterio
Más de cincuenta años después, un grupo de investigadores de la Universidad de Glasgow, liderados por Leroy Cronin, repitió el experimento de Miller, pero utilizando deuterio (D) en lugar de hidrógeno en cada uno de los compuestos empleados originalmente en 1953: agua, amoniaco y metano.
El grupo de Cronin realizó por lo menos tres repeticiones de los experimentos con una duración de siete días. Transcurridos éstos, se compararon los compuestos químicos obtenidos en la versión original del experimento de Miller y su modificación deuterada. En cuanto a los aminoácidos, en ambos experimentos se hallaron los mismos, esto es, glicina, alanina y beta-alanina. Sin embargo, en el experimento original de Miller (con agua no deuterada), hay un producto que domina, mientras que en el experimento con deuterio hay una gama más amplia de productos químicos.
Recordemos: sólo hay un neutrón de diferencia en los experimentos… y está promoviendo un mayor rango de productos químicos en la imitación de la sopa primigenia. Más aún, la variación en la distribución de productos también se presentó entre las repeticiones de los experimentos. Lo anterior induce a pensar que el ruido experimental (ineludible en todo laboratorio o sistema), puede llegar a jugar también un papel importante en la distribución de los compuestos químicos finales. En pocas palabras: en un universo deuterado se produce una mayor diversidad de compuestos químicos.
Esta sensibilidad en los experimentos de Miller hace eco de aquella observada en los sistemas caóticos descubiertos por Edward Lorenz. Muy probablemente nunca podremos desentrañar el origen de la vida en el planeta Tierra, las condiciones específicas en la que emergieron los compuestos químicos lo suficientemente complejos para replicarse, pero esta clase de experimentos nos muestra que no se requieren grandes variaciones en las condiciones iniciales para que la complejidad química sea conducida por caminos más ramificados y diversos. Nosotros —todas las especies vivas en este planeta— bien podríamos ser las versiones menos probables —quizá, también, las menos complejas, ¿por qué no?— de un fenómeno químico que ha estado ocurriendo en distintos puntos del universo desde hace mucho, mucho tiempo.
Martín Méndez
Doctor en Ciencias Aplicadas por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica A.C. (IPICYT). Entusiasta de la divulgación científica y la innovación, más presente en el futuro que en el ahora.
Referencias
- The Hidden Heroines of Chaos, Quanta Magazine, 2019)
- Strogatz, S. H. Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering, CRC Press, 2018
- Lemley, B., “Why is There Life?”, Discover Magazine, 2000
- Miller, S. L., “A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions”, Science 117, 1953, pp. 528–529
- Lazcano, A. y Bada, J. L., “The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry”, Origins of life and evolution of the biosphere 33, 2003, pp. 235–242
- Lehninger, A. L., Nelson, D. L. y Cox, M. M. Lehninger : principios de bioquímica, OMEGA, 2009
- Chang, R. y Goldsby, K. A. Química, McGraw-Hill, 2017
- Cooper, G. J. T. y coautores, “Miller-Urey Spark-Discharge Experiments in the Deuterium World”, Angewandte Chemie International Edition 56, 2017, pp. 8079–8082