miércoles, 10 de diciembre de 2008


12 - Silicio vs. Carbono

La vida en la Tierra se basa en el carbono. Esto significa, simplemente, que la química para la vida en la Tierra utiliza el carbono para formar moléculas complejas que se usan para varias funciones vitales, como el almacenamiento de información.

Autores: Chris Impey y Erika Offerdahl
Traducido para Astroseti por: Claudia Rodríguez

Podemos encontrar carbono en todo, desde membranas celulares a hormonas y ADN. Durante años, los científicos y los escritores de ciencia ficción han soñado con la posibilidad de una vida basada en otra cosa que no fuera carbono. Para reemplazar el carbono con otro elemento, necesitaríamos escoger cuidadosamente a un competidor. El contrincante debería ser un elemento abundante, ya que será un constituyente mayoritario de muchas moléculas vitales.

Además, necesitaríamos considerar los elementos que tienen la capacidad de enlazarse con ellos mismos, y con varios otros elementos, para crear moléculas de vida complejas, y lo que es más importante, estables. Es bien conocido que distintos elementos pueden poseer características químicas similares. Estas similitudes se basan en el hecho de que todos los átomos se enlazan en general del mismo modo. La tabla periódica es una lista organizada de todos los elementos, y se presenta de tal manera que refleja patrones en la colocación de las partículas nucleares dentro de los átomos.

Por ejemplo, según lees la tabla periódica de izquierda a derecha, el número de protones y electrones por átomo aumenta. Todos los elementos de una columna tienen el mismo número de electrones en su capa externa. Generalmente, sólo la capa externa de electrones interviene en las reacciones químicas. Esto significa que los elementos en la misma columna tienden a participar en reacciones químicas de manera parecida. Si miramos a la columna que comienza con el carbono, podemos leer hacia abajo y ver que se incluyen en la misma columna elementos como el silicio (Si), el germanio (Ge), el estaño (Sn) y el plomo (Pb).

En muchas historias fantásticas sobre vida alienígena, el silicio es el candidato propuesto para reemplazar al carbono, ya que se sitúa inmediatamente debajo de este último en la tabla periódica. Durante el resto de esta argumentación compararemos el silicio con el carbono como elemento fundamental para la vida. El silicio tiene el mismo número de electrones en su capa externa que el carbono, lo que significa que también puede formar cuatro enlaces. También es muy abundante, incluyendo gran parte del suelo que pisas. El silicio se puede enlazar rápidamente consigo mismo para formar Si-Si, igual que el carbono puede formar C-C. Con sólo esta información, uno podría pensar que hay algo importante en este átomo de silicio. Después de todo, los enlaces C-C son la base de moléculas complejas en la Tierra.

Sin embargo, estamos pasando por alto algunos detalles importantes. Aunque los enlaces Si-Si, como los de silicio-hidrógeno y los de silicio-oxígeno, son fáciles de formar, no hemos considerado las fuerzas relativas de estos enlaces. Los enlaces Si-Si son mucho más débiles que los C-C; sólo tienen la mitad de fuerza. Los enlaces Si-H y Si-O son más fuertes que los Si-Si, mientras que los análogos, con el carbono, de estos tres tipos de enlace, son casi iguales en fuerza. Esto significa que, mientras que es muy fácil obtener largas cadenas o anillos de átomos de carbono, no es muy común encontrar cadenas o anillos de átomos de silicio unidos.

De hecho, es extremadamente raro encontrar alguna molécula en la que se hayan unido más de tres átomos de silicio. Algunas de las moléculas más comunes de carbono con las que estamos más familiarizados en la Tierra, como el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4), tienen derivados del silicio. El silicio es muy atraído por el oxígeno, por lo que se combina con el oxígeno incluso a temperaturas inferiores, formando SiO2. Si el silicio se combinara con el elemento más abundante en el universo, el hidrógeno, formaría silano, SiH4.

Sin embargo, el silicio no reacciona tan fácilmente con el hidrógeno como lo hace con el oxígeno. Incluso en las condiciones más reductoras, y con gran exceso de hidrógeno, el silano no se formará a temperaturas menores de 1.000 K. Y cuando comparamos el silano con el metano, advertimos que el silano es mucho menos estable que el metano, y arde cuando entra en contacto con el aire.

Tenemos muchas pruebas acerca de la formación del SiO2 en la Tierra, ya que es un constituyente principal de las rocas. La forma más común de SiO2 es el cuarzo. Aunque se identifica fácilmente en la Tierra, el SiO2 tiene propiedades muy distintas a las del CO2, también abundante. Aquí, en la Tierra, el CO2 es gaseoso en casi todo el rango de temperaturas, es muy soluble en agua (por lo que está disponible para la vida en solución acuosa) y se puede romper en carbono y oxígeno.

Muy por el contrario, el SiO2 no existe como gas excepto a temperaturas extremadamente altas, muy por encima de 2.000 grados centígrados. Como puede pensarse a partir de que forme muchas de las rocas en la Tierra, el SiO2 es completamente insoluble en casi todo. Finalmente, como el silicio tiene una alta afinidad por el oxígeno, es muy difícil romper el SiO2 en los átomos que lo constituyen. Por tanto, el dióxido de carbono gana la competición contra el dióxido de silicio por ser más útil para la vida.

Con respecto a los organismos vivos, el SiO2 se puede considerar una molécula inerte, y por eso, inútil para los procesos de la vida. Hasta ahora hemos comparado el silicio con el carbono principalmente por lo que sabemos en la Tierra.

Sin embargo, ¿cuáles podrían ser las condiciones en otro planeta?
¿Cómo podría evolucionar la vida en otro lugar para usar silicio en lugar de carbono?

En 1894, el famoso escritor H.G. Wells escribió: "Uno se puede asombrar ante la fantástica imaginación cuando se le sugiere algo: la visión de organismos de silicio y aluminio (¿y por qué no hombres de silicio y aluminio en algún momento?), vagando por una atmósfera de sulfuros gaseosos, digamos, por las orillas de un mar líquido algunos cientos de grados por encima de la temperatura de un alto horno". Sabemos que los compuestos de silicio y oxígeno se forman fácilmente y por eso son bastante comunes.

¿Podría la vida aprovecharse de esto?

Sabemos que en la Tierra se pueden formar algunas moléculas bastante grandes a partir de los enlaces Si-O. Las siliconas son un ejemplo de estas moléculas; están compuestas por enlaces Si-O y contienen carbono. Son muy estables; tanto, que no suelen reaccionar con otras moléculas. Aunque las siliconas pueden ser usadas por al vida para almacenar y transmitir información, su incapacidad para intervenir fácilmente en reacciones químicas las hace poco probables como elección para cualquier tipo de vida. Esto nos lleva otra vez al mismo problema que vimos con el SiO2, y es que las siliconas no serían útiles en las reacciones químicas.

Quizá estemos siendo demasiado estrechos de mente en cuanto a cómo estamos considerando la química básica. ¿Las reglas de la química funcionan igual en todo el universo? ¿El silicio se comportaría de manera diferente en otro planeta? Según las observaciones que han realizado los astrónomos, probablemente no. Los astrónomos han estudiado el entorno cósmico: el medio interestelar, las nubes interestelares, los meteoritos, los cometas y las estrellas.

En todos estos lugares abundan las moléculas de carbono, y no sólo las sencillas moléculas de carbono, sino también las más complejas moléculas orgánicas. El silicio oxidado, como el dióxido de silicio, es bastante común en el entorno cósmico. Sin embargo, las moléculas de silicio como el silano y las siliconas que podríamos considerar como moléculas de la vida basadas en el silicio se encuentran rara vez.

La química del carbono parece ser ubicua en el cosmos. Hasta ahora, las pruebas sugieren que no es muy probable que la vida se base en la química del silicio. Sin embargo, eso no descarta que el silicio jugara algún papel en los orígenes de la vida. Muchas moléculas de carbono que se usan en la vida muestran algo conocido como quiralidad.

Pueden existir como moléculas "diestras" o "zurdas". Una molécula de azúcar diestra es la imagen especular de la molécula de azúcar zurda complementaria, igual que tu mano izquierda es la imagen especular de tu mano derecha. Cuando le das la mano a alguien, las manos de ambos son, o bien derechas, o bien izquierdas. Y el apretón de manos no funciona cuando se realiza con una mano derecha y una izquierda. De manera similar, la vida se ha desarrollado usando sólo moléculas con una quiralidad particular.

Las moléculas de silicio rara vez muestran esta característica; normalmente son aquirales: sólo tienen una conformación. Una propuesta acerca del origen de la vida en la Tierra es que las primeras moléculas orgánicas se formaron en la superficie de silicatos. Esto habría determinado la quiralidad de las moléculas orgánicas utilizadas hoy por la vida.

A pesar del pesimismo que rodea a la idea de la vida basada en el silicio, los escritores de ciencia ficción no han perdido toda esperanza de encontrar una forma de vida que difiera significativamente de lo que somos nosotros: una forma de vida basada en el carbono. Las probabilidades de que haya vida basada en el silicio son muy pequeñas, pero eso no debería impedir a nuestras mentes que exploren lo inimaginable.

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