Biofirmas(IV). El color de la Vida. Los Pigmentos.

El oxígeno, el ozono, el sulfuro de dimetilo (DMS), el metano y otros componentes atmosféricos son biofirmas, es decir, bajo determinadas circunstancias pueden revelar la presencia de vida en un planeta, razonablemente a salvo de los falsos positivos. Este tema de las biofirmas de gases atmosféricos, determinadas por la huella espectral producida por los gases atmosféricos afectados por la actividad biológica, ya lo hemos tratado ampliamente.

Pero hay otras biofirmas más, y algunas son realmente interesantes.

La vida en otros planetas podría mostrar pigmentos totalmente diferentes a los de la Tierra
(Fuente: NASA. Crédito: Doug Cummings).

Otra clase de biomarcadores (o biofirmas) detectables son los pigmentos que  tienen los seres vivos. Es decir, si la biota de una planeta está muy extendida en la superficie, el color de la vida puede afectar al color del planeta. Es el efecto en la luz reflejada del planeta que pueden producir los pigmentos de los organismos vivos presentes en la superficie. 

La Clorofila es el principal pigmento de la vegetación. Absorbe el amarillo y el azul del visible mientras refleja el verde, que es el color mayoritario de las plantas. 

La clorofila es un pigmento asociado a la fotosíntesis. Este proceso metabólico, lo sabemos, es un método que transforma el CO2 en biomasa, utilizando fotones del Sol como fuente de energía, y un reductor, tal como H2, H2S o H2O. La más visible en la Tierra es la fotosíntesis oxigénica, que utiliza como reductor H2O y genera O2 como producto de desecho.

En la Tierra actual la vegetación podría (teóricamente) ser detectada desde otras estrellas. La característica espectral principal que la clorofila, ese pigmento, produce es el llamado VRE (Vegetation Red Edge), el Límite Rojo de la Vegetación, que no es otra cosa que un definido, abrupto y drástico aumento de la luz reflejada cuando se pasa del visible al infrarrojo cercano. Y es que la luz visible es fuertemente absorbida por la vegetación para realizar sus procesos fotosintéticos mientras el infrarrojo es dispersado. Esto es algo que ya nos explicó Carl Sagan en 1993 cuando observó la Tierra con la sonda Galileo: "Una explicación alternativa es la fotodisociación del agua, por medio de procesos biológicos, a partir de la luz del Sol como primer paso de la fotosíntesis. Un inusual pigmento que absorbe el rojo puede servir para este propósito, que no corresponde con ningún mineral plausible, es ampliamente encontrado en la superficie."

El VRE (Vegetation Red Edge) es la marca que la clorofila imprime en el espectro de la Tierra (Fuente: http://www.markelowitz.com/Hyperspectral.html)

La Tierra es nuestra guía para la caracterización de las biofirmas basadas en pigmentos, pero la Tierra no ha sido siempre así, la fotosíntesis oxigénica no ha dominado siempre la biosfera terrestre. Por el contrario, hay evidencias geológicas que sugieren la existencia en el pasado de tapetes microbianos o biopelículas de fotosintetizadores anoxigénicos, cientos de millones de años antes del desarrollo de la fotosíntesis oxigénica. Esto se infiere de la brecha temporal entre los fósiles de estromatolitos más antiguos en 3.500 Ma y la evidencia geoquímica más temprana para la fotosíntesis oxigénica en 2.700 Ma. Una de las formas de vida más extendidas fueron las bacterias púrpuras. Estas bacterias púrpuras ha sido estudiadas y tienen un efecto sobre el espectro con un fuerte aumento de la reflectividad, de forma similar al VRE, aunque desplazado hacia el rojo.

Otros pigmentos muy extendidos en la vida de la Tierra son los Carotenoides. Los podéis encontrar en las hojas del otoño que cuando se secan pierden la clorofila, mostrando sus carotenoides, pardos y amarillos. También los podéis ver en la fruta madura, que deja de ser verde, en el maíz y, por supuesto, en las zanahorias.

En particular, son abundantes en el caso de los extremófilos que han evolucionado desarrollando una pigmentación necesaria para hacer frente a los ambientes extremos, o para biosferas fotosintéticas donde la reflectancia espectral está dominada por un pigmento no fotosintético.

Ponemos algunos ejemplos interesantes:

Imaginemos un planeta dominado por Lagos Hipersalinos. En la Tierra los Halófilos (Halobacterium salinarum, Salinbacter ruber) medran en estos ecosistemas y dominan el reflejo de salinas y lagos hipersalinos con pigmentos no fotosintéticos. Estos organismos halófilos contienen cantidades sustanciales de carotenoides como bacterioruberin, dando como resultado esa preciosa coloración rojo, rosa, naranja que todos hemos visto alguna vez. Es decir, aunque en los entornos hipersalinos la forma primaria de producción puedan ser algas verdes como Dunaliella salina, que también contiene carotenoides, este último pigmento suele predominar visualmente.

Unas barcas en el Lago Rosa en el Senegal (Fuente: Wikipedia)

El Gran Lago Salado en EEUU, por ejemplo, es visible en las fotografías de la Estación Espacial Internacional o el Lago Rosa en Senegal. 

El Gran Lago Salado adquiere una coloración rojiza en el norte. (Fuente: Wikipedia)

Hay estanques de alta temperatura donde proliferan los Termófilos como Thermus aquaticus cuya pigmentación puede ser una adaptación al estrés oxidativo, y generan el anillo de color amarillo visible en el Grand Prismatic Spring en el Parque Nacional de Yellowstone. Esos quimiótrofos termófilos pigmentados por carotenoides, junto con cianobacterias, forman el gradiente de color visible, que cambia con el curso de las estaciones. Por primavera, predomina el naranja, mientras en otoño se entienden las cianobacterias que le aportan un tono verde oscuro.

Grand Prismatic Spring en el Parque Nacional de Yellowstone. Diversas tonalidades de marrón y amarillo debido a carotenoides van cambiando hacia el verde de la clorofila. El azul intenso del centro es el color del agua pura, no hay seres vivos a la temperatura de la zona central.(Fuente: Wikipedia)

Ahora pensemos en un planeta en el que predominen los Desiertos Helados. La vida en la nieve puede estar poblada por la llamada "nieve rosa" (Watermelon snow, en inglés) que no es sino un alga verde (Chlamydomonas nivalis) que junto a la clorofila tiene unos carotenoides protectores de los rayos UV que la dan una tonalidad rosada. Es típica en las alta montañas y en las zonas polares

Nieve Rosa adquiere una tonalidad rosada como protección a las radiaciones UV. 
(Fuente: Wikipedia. Crédito: Will Beback)

Y para terminar, es inevitable, hablamos de Proxima b (y esto empieza a ser una costumbre).

¿Qué pigmentos podrían predominar en la vida de Proxima b?

El VRE de la clorofila ha sido estudiado en un planeta que orbitase en torno a una enana roja. El efecto sería que se desplazaría al rojo. Si en la Tierra ronda los 0,75 µm a la luz de una enana roja podría estar en 1 µm o incluso más allá.

A nadie se le escapa que Proxima b está orbitando en una estrella muy activa. Es más que probable que su superficie esté bañada por intensos rayos X y UV. Ya hemos comentado que los carotenoides son magníficos protectores contra estos rayos. Otro pigmento protector contra los rayos UV lo conocemos todos: la Melanina, presente en nuestra piel, el pelo, los ojos...

Otra propiedad interesante de los carotenoides es que es un buen antioxidante, que puede ser relevante en los escenarios en los que el planeta esté dominado por el oxígeno. Un ejemplo pueden ser Deinococcus radiodurans y Rubrobacter radiotolerans, organismos que contienen carotenoides que los protegen funcionando sobre todo como antioxidantes. Si existe vida en Proxima b bien podría ser rica en Carotenoides.

Pero aún hay más. No han faltado otros pigmentos más sorprendentes. Todos hemos visto los organismos bioluminiscentes de la película Avatar, como protección ante los iones acelerados en la potente magnetosfera de Polifemo. Algunos pigmentos fotoprotectores (Luciferina) lo que hacen es absorber la luz UV para reemitirla en longitudes de onda más largas, menos nocivas para la vida. Es decir, son pigmentos fosforescentes (presentes por ejemplo en algunos corales). Sería alucinante que, tras una tormenta solar en Proxima Centauri, pudiera detectarse la fosforescencia de los seres vivos de Proxima b defendiéndose de la lluvia de rayos UV...

Seres fosforescentes en la noches de Avatar. Podría ser un mecanismo protector frente a radiaciones ionizantes creadas en la potente magnetosfera de Polifemo.
(Fuente: http://james-camerons-avatar.wikia.com)

El Mundo los pigmentos es enormemente interesante. Nos dejamos muchos en el tintero. La Rodopsina, por ejemplo, que obtiene energía de la luz con menos eficiencia que la clorofila y que se encuentra en nuestras retinas y en muchos halófilos; o los Flavonoides, que le dan su color a muchas flores.

1993. Carl Sagan sugiere el verde de la vegetación como una biofirma.
http://www.ufrgs.br/leaa/arquivos/aulas/SERP06/1993_ASearchForLifeOnEarthFromTheGalileoSpacecraft_NATURE.pdf

2002-2005. Sara Seager. Los primeros estudios sobre pigmentos estudian lo más obvio: la clorofila y el Borde Rojo (VRE)
https://arxiv.org/abs/astro-ph/0212550
https://arxiv.org/abs/astro-ph/0503302

2006. Tinetti estudia el comportamiento del VRE en las enanas rojas.
http://iopscience.iop.org/article/10.1086/505746

2012. Hedge y Kaltenegger sobre el color de los posibles ecosistemas de otros planetas.
https://arxiv.org/abs/1209.4098

2011-2013. Sanromá en varios artículos curiosos sobre la Tierra primitiva, la "Tierra Púrpura", dominada por las bacterias púrpuras.
https://arxiv.org/abs/1110.1340
https://arxiv.org/abs/1302.4232
https://arxiv.org/abs/1311.1145

2015. Un artículo muy interesante sobre pigmentos no fotosintéticos de Schwieterman, Cockell y Meadows.
https://arxiv.org/abs/1505.04752

2016. Jack T. O´Malley y Lisa Caltenegger nos hablan de la biofluorescencia de los seres vivos cerca de estrellas activas, como Proxima b. Alucinante.
https://arxiv.org/abs/1608.06930

Biofirmas (III). Gases Atmosféricos. Más allá del oxígeno.

El oxígeno en combinación con otros compuestos como metano es considerado la biofirma más obvia. Sin embargo, este hecho no debería hacernos perder de vista que otras bioquímicas podrían poner de manifiesto otras biofirmas, que no necesariamente incluyen oxígeno.

Sabemos, por ejemplo, que la concentración actual de O2 de la Tierra del 21 % es un fenómeno relativamente reciente, pues tenemos buenas razones para creer que las concentraciones de O2 eran mucho más reducidas en los inicios de la historia de la Tierra, incluyendo los tiempos durante los cuales se cree que la fotosíntesis del oxígeno estaba operativa. La fotosíntesis oxigénica fue inventada por las cianobacterias posiblemente hace 3 mil millones de años, aunque el O2 no comenzó a acumularse en la atmósfera hasta alrededor de 2,5 mil millones de años. Y hasta este periodo la vida de este planeta no estuvo acompañada de una acumulación de oxígeno sustancial en la atmósfera.

El espectro de la Tierra en el infrarrojo muestra las marcas de los principales componentes de sus biosfera. (Fuente: ESA)

Lovelock (1965) sugirió por primera vez que la presencia de oxígeno en la atmósfera de un planeta, junto con hidrocarburos, constituiría una firma biológica fiable. Pero no fue hasta Lederberg (1965) que se propuso un planteamiento más allá del oxígeno, cuando sugirió que el desequilibrio termodinámico extremo, en general, sería una buena evidencia de vida.

Buscar el desequilibrio químico en general, como concepto global, es muy interesante, porque a diferencia del planteamiento de buscar una biofirma concreta, propia de un metabolismo concreto, la búsqueda del desequilibrio no realiza asunciones fuertes sobre la bioquímica subyacente. En cambio, es una métrica de habitabilidad genérica que descansa únicamente en la asunción de que los diferentes metabolismos de la Galaxia producen algún tipo de gas que puede alterar el equilibrio de la biosfera del planeta.

De cualquier forma, no hay que olvidar que los planetas pueden manifestar algún tipo de desequilibrio no biológico, propiciado por la luz de la estrella, vulcanismo o energías de marea, entre otros. Medir el desequilibrio es una cuestión de métricas, de medidas. La diferencia entre un planeta con vida de otro sin ella, vendrá por la medida de la intensidad del desequilibrio no explicable por otras causas.

El mejor trabajo que conozco sobre el tema fue publicado en 2015 y es de Krissansen-Totton et al. Presentaron una metodología general en la que calculaban la energía libre implicada en el desequilibrio termodinámico de un planeta. Para experimentar con ella la aplicaron a las principales atmósferas del Sistema Solar, con resultados algo sorprendentes. 

Por supuesto, la Tierra resultó ser el planeta con el mayor desequilibrio (2.326 J/mol) debido a la presencia conjunta de N2-O2 y un mar de agua, pero la biofirma por antonomasia, la presencia de metano en una atmósfera conjuntamente con oxígeno apenas aportaba 1,51 J/mol (y esto no se esperaba).

El siguiente era el planeta Marte (136,35 J/mol) motivado por la presencia de CO y O2 en la atmósfera, productos abióticos de la fotodisociación del CO2. Venus, a pesar de tener una atmósfera con una composición similar apenas mostraba desequilibrio (0,06 J/mol) porque la enorme presión atmosférica los elimina rápidamente. 

Titán mostraba 1,21 J/mol por la presencia de acetileno y etano abiótico, debido al bombardeo de iones que sufre la luna de Saturno. Me parece un dato un poco decepcionante, sin embargo, los autores reconocieron que el análisis no tuvo en cuenta los lagos de hidrocarburos, por no tener datos precisos sobre su termodinámica. Finalmente, los gigantes gaseosos mostraban un resultado casi nulo.

Sara Seager es una científica del MIT que ha dedicado un gran esfuerzo a clasificar todas las posibles biofirmas. (Fuente: MIT).

Otro investigador que ha trabajado ampliamente en el tema es la famosa científica Sara Seager. En 2013 publicó un paper en el que mostraba modelos que, basándose en las especies presentes en la atmósfera de un planeta, estimaban la biomasa planetaria necesaria para producir esos gases. Los modelos termodinámicos (que miden el desequilibrio) solo son una parte de una serie de modelos más amplia y más compleja.

De hecho, hay tres grandes grupos de modelos para caracterizar tres grandes grupos de biofirmas:

Biofirmas Tipo I. Son gases producidos por los procesos biológicos de extracción de energía. Estas biofirmas pueden modelizarse termodinámicamente, porque crean un desequilibrio energético allí donde se producen: CH4 producto de los metanógenos  en una atmósfera oxidante como la nuestra, pero también NH3, H2S e incluso H2O, entre otros muchos. Estos gases siempre tendrán falsos positivos, porque también pueden producirse geoquímicamente.

Biofirmas Tipo II. Son los gases creados durante la formación de la materia viva. Por ejemplo, el O2 producto de la fotosíntesis en un entorno oxidante. Pero también podrían ser H2 en un entorno reductor. También pueden ser confundidos con falsos positivos.

Biofirmas Tipo III. Este tercer tipo engloba los gases producidos por cualquier otro proceso biológico que no se engloba en los anteriores. Es mucho más diverso, sin embargo, estas biofirmas, como CH3Cl (Clorometano) y DMS (sulfuro de dimetilo, generado por el plancton), aunque se acumulan en menores cantidades en la atmósfera, son casi exclusivamente una señal de vida. Tampoco están asociados a desequilibrios termodinámicos.

Bioindicadores. Junto a las biofirmas hay un grupo formado por la degeneración de las biofirmas. Son los llamados bioindicadores. Un ejemplo típico es el Ozono O3, formado por la degeneración del Oxígeno O2.

Actualmente, desde un perspectiva global e intentando evitar planteamientos terracéntricos, Seager estudia miles y miles de compuestos distintos para clasificarlos por su potencialidad como biofirma, atendiendo a la biomasa necesaria para producirlos. La idea es, nada más y nada menos que describir sistemáticamente todos los posibles gases biofirma. ¡Esto sí que es un desafío!

El proceso consiste en clasificar las moléculas en función del tipo de biofirma, para saber qué modelo aplicar. Posteriormente se induce si es detectable con una cantidad de biomasa razonable y si puede quedar contaminada con algún tipo de falso positivo. (Fuente: Sara Seager)

1965. El paper de Lovelock por desgracia no está libremente accesible en la red, eran otros tiempos.
http://europepmc.org/abstract/med/5883628

1965. El pionero Lederberg y los signos de vida.
https://profiles.nlm.nih.gov/ps/access/BBABIQ.ocr

2013. El modelo de Seager que determina la biomasa asociada a una biofirma. Es un paper muy interesante.
http://arxiv.org/abs/1309.6014

2015. El artículo de Krissansen-Totton de la Universidad de Washington en Seattle y análisis temodinámico del Sistema Solar.
http://arxiv.org/abs/1503.08249

2015. Este es un buen resumen del pensamiento de Sara Seager sobre biofirmas,
http://advances.sciencemag.org/content/advances/1/2/e1500047.full.pdf

Biofirmas (II). Gases Atmosféricos. Los engaños del oxígeno.

Cuando el JWST o los telescopios extremadamente grandes empiecen a estudiar las primeras atmósferas terrestres en zonas templadas se buscará sobre todo la marca del oxígeno. Habrá, no obstante, que ser cauto porque hay muchos fenómenos que pueden producir oxígeno abióticamente, es decir, sin la presencia de seres vivos.

Analizar la posibilidad de vida en un planeta no es un trabajo fácil. De hecho, aún no tenemos clara la cuestión de Marte, en donde los análisis aún sugieren encendidos debates sobre el metano atmosférico, entre otros. Y eso en un planeta que, como quien dice, está a la vuelta de la esquina. Tanto más difícil será la cuestión en un planeta situado a años luz de aquí.

El oxígeno (O2). Buena señal.

El oxígeno atmosférico es considerado un fuerte indicio de vida (es decir, una biofirma), porque en la historia de la Tierra la vida ha sido la fuente dominante de este gas. El oxígeno atmosférico es inestable y necesita una fuente activa que lo reponga continuamente. Otra fuente distinta de la vida podría venir por la fotólisis de moléculas portadoras de oxígeno, pero la distribución de la emisión de rayos ultravioletas del Sol no justificaría la cantidad presente en nuestra atmósfera (>20%).

El ozono (O3). Buena señal.

Lo sabéis todos. En la Tierra el oxígeno viene acompañado de ozono. Los rayos ultravioletas fotodisocian las moléculas de oxígeno convencional con el resultado de la formación de ozono en las capas altas de la atmósfera. El ozono junto al oxígeno convencional forma una suerte de escudo protector que absorbe eficientemente los rayos ultravioletas más duros protegiendo a los seres vivos que vivimos en la superficie terrestre. Su concentración global es de 0,6 ppm. Su presencia en la atmósfera es un fuerte indicador de oxígeno O2.

Pares de Oxígeno (O2-O2). Mala señal, sin duda.

Los pares de oxígeno son el resultado de breves colisiones entre dos moléculas de oxígeno. Estas configuraciones como los dímeros formados por fuerzas de Van der Waals permiten deducir la presión del oxígeno en una atmósfera.

Durante el prolongado periodo previo a la entrada en la secuencia principal de las enanas rojas estas mantienen un flujo de irradiación muy elevado que deshidrata los planetas. El agua (H2O) se evapora alcanzando las capas altas de la atmósfera, y luego, la emisión de rayos X y UV rompe la molécula. El hidrógeno es ligero y escapa fácilmente de la estratosfera, quedando solo el oxígeno. Este proceso elimina el agua del planeta y puede llegar a ser masivo, produciendo una presión atmosférica elevada de oxígeno totalmente abiótico. En estas condiciones, de alta presión del oxígeno pueden llegar a detectarse estos pares, que son un claro indicio de oxígeno abiótico.

Nitrógeno (N2) y Pares de Nitrógeno (N2-N2). Buena señal, claro que sí.

En la Tierra hay lo que se denomina “trampa fría”, que no es sino un capa intermedia de la atmósfera que está fría. Cuando el agua se evapora en las capas bajas, se eleva hasta llegar a la “trampa fría” donde se condensa y termina precipitando. Lo importante es que no sigue ascendiendo, no alcanzando las capas altas de la atmósfera, donde, como el agua es muy escasa, se pierde poquísima por fotólisis y escape. De esta manera, la Tierra aunque es rica en agua pierde muy poca. Este mecanismo ya vimos en el párrafo anterior que producía oxígeno abiótico.

El principal causante de esta beneficiosa “trampa fría” no es otro que tener una buena atmósfera de Nitrógeno, pero esta molécula no es activa espectroscópicamente, es decir, es muy difícil de detectar. Sin embargo, cuando el nitrógeno alcanza cierta presión forma pares N2-N2 que sí se pueden detectar, pares formados por breves colisiones entre las moléculas. Es decir, cualquiera de estas dos especies en presencia de oxígeno es una fenomenal noticia. El único handicap es que el N2 es virtualmente indetectable y que el N2-N2 tiene una línea de absorción de 4,3 µm en el infrarrojo fácilmente confundible con la del CO2.

El metano (CH4). Buena señal.

Otra de las especies de la atmósfera terrestre es el metano. Este compuesto es inestable en una atmósfera rica en oxígeno y está fuera de equilibrio. Para entender su presencia es necesario que haya algún mecanismo que continuamente reponga el metano que se elimina vía reacciones redox. En la Tierra ese mecanismo es la vida. Su presencia en una atmósfera junto con oxígeno u ozono es una biofirma robusta. Es lo que detectó Carl Sagan en la Tierra en 1990 utilizando la sonda Galileo.

Monóxido de Carbono (CO) o Dióxido de Carbono (CO2). Mala mala señal.

La producción de cantidades estables de oxígeno y ozono por la fotolisis del Dióxido de Carbono depende de la estructura de la pendiente de la radiación ultravioleta. Cuando opera (teóricamente debería ocurrir en las enanas rojas), este efecto origina la producción de Monóxido de Carbono y Oxígeno abiótico. Detectar estos gases junto Oxígeno u Ozono será una mala señal cuando se estudien planetas en la Zona Habitable de las enanas rojas.

Bueno, y ahora mostramos la estrategia de búsqueda de vida que quizá se siga cuando nos enfrentemos al análisis de la primera atmósfera terrestre.

Gráfico mostrando los posibles pasos a dar para evitar los traicioneros Falsos Positivos del Oxígeno, antes de poder celebrarlo y descorchar la botella de "Champagne". Como podemos ver la ubicación en la Zona Habitable y que sea rocoso es solo el principio (Rocky, HZ). Hasta el momento solo hemos llegado a realizar espectros de baja resolución de cuerpos más o menos rocosos en zonas más o menos templadas. O4 son los pares O2-O2. (Fuente: El astrobiólogo Domagal-Goldman, 2016). 

2013. Feng Tian muestra que los planetas de las estrellas en las que predominan los rayos ultravioleta lejano sobre el ultravioleta cercano (tipo M) pueden desarrollar con facilidad oxígeno abiótico a partir del agua o de dióxido de carbono.

https://arxiv.org/abs/1310.2590

2013. Amit Misra nos enseña cómo medir la presión del oxígeno en una atmósfera mediante los dímeros O2-O2.

https://arxiv.org/abs/1312.2024

2014. Robin Wordsworth y Raymond Pierrehumbert muestran como una atmósfera débil de nitrógeno puede carecer de la “trampa fría” permitiendo que el agua alcance las capas altas de la atmósfera y generando oxígeno abiótico.

https://arxiv.org/abs/1403.2713

2014. Luger y Barnes muestran que la calurosa y prolongada juventud de las enanas rojas (a diferencia del “Sol débil” aquí podemos hablar de la “enana fuerte”) puede deshidratar completamente un planeta en su Zona Habitable, dejándolo con una densa cubierta de oxígeno totalmente abiótico.

https://arxiv.org/abs/1411.7412

2015. Schwieterman muestra las posibilidades de detectar nitrógeno en la atmósfera de un planeta a pesar de las dificultades de identificar nitrógeno en su espectro.

https://arxiv.org/abs/1507.07945

2015. Harman realiza un ameno repaso de los principales falsos positivos del oxígeno. El autor muestra que este tipo de engaños del oxígeno son poco probables en estrellas tipo F, G (como el Sol), siendo más probables en las estrellas K y, sobre todo, en las más pequeñas (tipo M).

https://arxiv.org/abs/1509.07863

2016. Schwieterman y Meadows proponen un método para identificar los llamados “impostores”, es decir, los falsos positivos. Señales de oxígeno que resultan tener un origen abiótico.

https://arxiv.org/abs/1602.05584

Biofirmas (I). Gases Atmosféricos. El oxígeno.

Algún día ocurrirá. Todos esos conceptos de Tamaño, Masa y Zona Habitable pasarán a un segundo plano desplazados por conceptos más ricos, más directos y más intuitivos, como son determinadas características del espectro de los planetas. Signos identificativos de la presencia de vida.

Quizá esta fase comenzará cuando entren en funcionamiento los nuevos telescopios extremadamente grandes, como el ELT, GMT,.. o quizá cuando se lance el telescopio espacial JWST:

“La detección de los gases Biofirma atmosféricos mediante espectroscopia en exoplanetas generalmente se entiende como inevitable en el futuro de los exoplanetas. Este sentimiento está siendo corroborado con el descubrimiento de un número creciente cada año de planetas de menor masa e inferior tamaño. Además, la evolución natural hacia el desarrollo de telescopios más grandes y más sofisticados (como el telescopio espacial James Webb (JWST) con su lanzamiento previsto para 2018, Gardner et al. (2006)) y los telescopios gigantes basados en tierra del tipo de 20 a 40 metros, ​​continúa alimentando la idea de que la eventual detección y estudio de los gases Biofirma es casi segura.”

(Sara Seager, 2013)

Carl Sagan, el famoso científico buscó las biofimas atmosféricas en la Tierra que permiten identificar la vida. (Fuente: carlsagan.com)

Un gas de una atmósfera planetaria para ser una buena biofirma debe acumularse en la atmósfera, ser espectroscópicamente detectable, y no verse contaminado fácilmente con falsos positivos. Los falsos positivos son gases atmosféricos resultado de la actividad abiótica, como los gases emitidos por volcanes o fumarolas. Son inevitables, pero pueden ser minimizados con la elección del biomarcador correcto, o bien, es posible identificar otros gases que nos informan de su origen.

El Oxígeno es considerado el gas biofirma más robusto. Sin la continua provisión de este gas que proporciona la vida fotosintética, desaparecería de la atmósfera en poco tiempo. Esta biofirma es relativamente reciente y parece que es a partir del precámbrico tardío, cuando se produce un aumento sustancial del oxígeno atmosférico, que pasa a ser comparable al actual.

Los primeros análisis consideraron la detección conjunta de O2 y CH4 (oxígeno y metano), o algún otro par de moléculas que como estas son el resultado de un desequilibrio redox y no pueden coexistir por mucho tiempo en una atmósfera fotoquímicamente estable.

Para conseguir la energía necesario para alcanzar la órbita de la Júpiter la sonda Galileo tuvo que realizar fly-bys por Venus y la Tierra para obtener el necesario impulso. (Fuente: NASA/JPL)

Muy famosa es la “búsqueda de vida en la Tierra” que Carl Sagan emprendió durante el fly-by de la sonda Galileo a la Tierra en Diciembre de 1990. La idea genial era enfocar todos los instrumentos para estudiar el planeta como si fuera desconocido:

La sonda Galileo, que tanto nos ayudó a conocer Júpiter y sus satélites. (Fuente: NASA/JPL)

"Desde la sonda Galileo, un observador no familiarizado con la Tierra, llegaría a las siguientes conclusiones: El planeta está cubierto por grandes cantidades de agua que se presentan como vapor, como nieve y hielo y como océanos. Si alguna biota existe, plausiblemente está basada en el agua. Hay tanto oxígeno en la atmósfera que sugiere dudas sobre la posibilidad de que la fotodisociación por los rayos UV del agua con escape del hidrógeno sea una fuente adecuada. Una explicación alternativa es la fotodisociación biológica del agua por la luz visible como el primer paso de la fotosíntesis. (...) El metano es detectado a ~ 1 ppm, unos 140 órdenes de magnitud más elevado que el valor en equilibrio termodinámico en una atmósfera rica en oxígeno." (Carl Sagan, 1993)

Sin duda, fue una idea brillante.

Sara Seager es una prestigiosa científica del MIT. Entre otras muchas cosas es una de las mayores autoridades actuales en temas de biofirmas. (Fuente: MIT) 

1993. La búsqueda de vida en la Tierra de Carl Sagan.

http://www-pw.physics.uiowa.edu/~dag/publications/1993_ASearchForLifeOnEarthFromTheGalileoSpacecraft_NATURE.pdf

2013. Sara Seager la famosa investigadora del MIT nos escribe sobre las biofirmas gaseosas.

http://arxiv.org/abs/1309.6016