Las reglas de la química en Titán, la luna más grande de Saturno, podrían estar a punto de reescribirse. Con la consecuencia de reescribir la química de la vida.
Un descubrimiento inesperado revela cómo los cristales congelados de un compuesto tóxico, el cianuro de hidrógeno, pueden mezclarse con hidrocarburos líquidos como el metano y el etano, formando estructuras estables en condiciones extremas. Esta interacción, considerada imposible hasta ahora, abre nuevas perspectivas sobre la química prebiótica en el Sistema Solar y más allá.
Vista de Titán, la luna más grande de Saturno, más allá de los anillos del planeta. La pequeña luna Epimeteo es visible en primer plano.
Crédito: NASA/JPL/Space Science Institute.
Experimentos realizados en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA, combinados con simulaciones por computadora llevadas a cabo por la Universidad de Tecnología de Chalmers en Suecia, permitieron observar este fenómeno sorprendente. Los investigadores trabajaron a temperaturas cercanas a las de Titán, es decir, alrededor de -180 °C, donde el cianuro de hidrógeno se presenta en forma de cristales sólidos.
En el laboratorio, observaron que el metano y el etano, aunque no polares, podían penetrar en la estructura cristalina del cianuro de hidrógeno, creando lo que se denomina un "co-cristal". Esta estabilidad inesperada cuestiona el principio químico que establece que las sustancias polares y no polares no se mezclan.
El cianuro de hidrógeno es una molécula polar, lo que significa que tiene un lado cargado positivamente y otro negativamente, favoreciendo normalmente los enlaces con otras moléculas polares. En cambio, el metano y el etano son hidrocarburos no polares, con una distribución simétrica de las cargas eléctricas. En la Tierra, esta diferencia explicaría por qué el aceite y el agua no se mezclan. Sin embargo, en Titán, las simulaciones mostraron que estos compuestos pueden asociarse, formando estructuras cristalinas híbridas estables en el entorno glacial de la luna.
Este descubrimiento tiene implicaciones importantes para comprender la química prebiótica, es decir, las reacciones químicas que pudieron preceder a la aparición de la vida. El cianuro de hidrógeno es un precursor clave de los aminoácidos, los bloques básicos de las proteínas, y de las nucleobases del ARN y el ADN. Aunque es tóxico para la vida actual, pudo haber desempeñado un papel esencial en la formación de las primeras moléculas biológicas en la Tierra primitiva. Titán, con sus lagos de hidrocarburos y su atmósfera rica, ofrece un laboratorio natural para estudiar estos procesos.
La misión Dragonfly de la NASA, prevista para llegar a Titán en 2034, permitirá verificar estos resultados tomando muestras de hielo de cianuro de hidrógeno en la superficie. Esta misión, equipada con un rotorcraft, explorará diversos sitios para analizar la química de esta luna. Los investigadores esperan así descubrir otras interacciones inesperadas entre moléculas polares y no polares, ampliando nuestra comprensión de los entornos helados en el Universo.
Las moléculas polares y no polares
Las moléculas polares, como el cianuro de hidrógeno, tienen una distribución desigual de las cargas eléctricas, creando un polo positivo y un polo negativo. Esta polaridad favorece las interacciones con otras moléculas polares, por atracción electrostática, lo que explica por qué a menudo se disuelven en solventes polares como el agua.
Las moléculas no polares, como el metano y el etano, tienen una simetría de cargas, lo que las hace poco compatibles con las sustancias polares. En general, prefieren asociarse con otras moléculas no polares, un principio resumido por el dicho "los afines se atraen".
En Titán, el descubrimiento de mezclas entre estos dos tipos de moléculas desafía esta regla. Las temperaturas extremadamente bajas, alrededor de -180 °C, permiten que el metano y el etano penetren en los cristales de cianuro de hidrógeno, formando co-cristales estables. Esta interacción está facilitada por la estructura cristalina que puede albergar moléculas no polares en sus intersticios.
Esta excepción abre el camino a nuevas investigaciones sobre las mezclas moleculares en entornos fríos, como las nubes interestelares o los cometas, donde podrían producirse reacciones similares.
La química prebiótica y los orígenes de la vida
La química prebiótica estudia las reacciones químicas que pudieron conducir a la aparición de la vida en la Tierra, hace aproximadamente 4 mil millones de años. Se centra en la formación de moléculas orgánicas complejas a partir de compuestos simples, en condiciones naturales.
El cianuro de hidrógeno se considera un precursor importante en este proceso. Puede reaccionar con otras moléculas para formar aminoácidos, que son las unidades básicas de las proteínas, esenciales para la vida. Asimismo, interviene en la síntesis de las nucleobases, componentes del ARN y el ADN.
Titán, con sus lagos de hidrocarburos y su atmósfera rica en nitrógeno, se asemeja a una versión helada de la Tierra primitiva. Las interacciones entre el cianuro de hidrógeno y los hidrocarburos podrían simular allí etapas clave de la química prebiótica, a pesar de las temperaturas hostiles.
Al comprender estos mecanismos en Titán, los científicos esperan aclarar cómo pudo surgir la vida en la Tierra y si procesos similares son posibles en otros lugares del Universo, por ejemplo en exoplanetas u otras lunas heladas.
Fuente: PNAS