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