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Artículo publicado por Natalie Wolchover el 2 de febrero de 2016 en Quanta Magazine

Para buscar señales de vida en planetas lejanos, los astrobiólogos deben decidir en qué revelador gas de biofirma deben centrarse.

Sentado en una cafetería durante una lluviosa mañana en Seattle hace seis años, el astrobiólogo Shawn Domagal-Goldman se quedó mirando impasiblemente la pantalla de su ordenador portátil, paralizado. Había estado ejecutando una simulación de la evolución de un planeta cuando, de pronto, el oxígeno empezó a acumularse en la atmósfera del planeta virtual. La concentración aumentó de 0 a 5, y luego al 10 por ciento.

“¿Algo va mal?”, preguntó su mujer.

“Pues sí”.

Este aumento del oxígeno eran malas noticias para la búsqueda de vida extraterrestre.

Exoplanet Gliese 581g

¿Hay vida en otros planetas? Crédito: James Dyson

Tras miles de años preguntándonos si estamos solos en el universo — una de las “más profundas, y tal vez de las primeras, preguntas de la humanidad más allá de , ‘¿Qué vas a cenar?’”, como señala la astrobióloga de la NASA Lynn Rothschild — la búsqueda de vida en otros planetas está ahora despegando de forma seria. Se han descubierto en la última década miles de exoplanetas, o planetas que orbitan a otras estrellas que no son el Sol. Entre ellos tenemos potenciales super-Tierras, sub-Neptunos, Jupiteres calientes y mundos como Kepler-452b, un posible mundo rocoso y acuoso, un “primo de la Tierra”, situado a 1400 años luz de aquí. Empezando en 2018 con el esperado lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb de la NASA, los astrónomos será capaces de atravesar los años luz de distancia y analizar las atmósferas de los exoplanetas más prometedores. Buscarán la presencia de “gases de biofirma”, vapores que sólo podrían producirse en presencia de vida alienígena.

Harán esto observando el fino anillo de luz estelar alrededor de un exoplaneta cuando se sitúa frente a su estrella madre. Los gases en la atmósfera del exoplaneta absorberán ciertas frecuencias de luz estelar, dejando unos reveladores huecos en el espectro.

Como Domagal-Goldman, por entonces investigador en el Laboratorio Planetario Virtual (VPL) de la Universidad de Washington, sabía perfectamente, el patrón de oro en los gases de biofirma es el oxígeno. No sólo se produce en abundancia gracias a la flora terrestre — y, por tanto, posiblemente, gracias a la de otros planetas — sino que durante 50 años la creencia común sostenía que no podía generarse a niveles detectables por la geología o la fotoquímica, haciendo del mismo una señal a prueba de falsificaciones de la vida. El oxígeno llenó el cielo del mundo simulado de Domagal-Goldman, sin embargo, no como resultado de una actividad biológica, sino debido a que la extrema radiación solar estaba arrancando el oxígeno de las moléculas de dióxido de carbono en el aire más rápidamente de lo que podía recombinarse. Esto biofirma podía ser falsificada, después de todo.

La búsqueda de gases de biofirma alrededor de lejanos exoplanetas “es un problema inherentemente complejo”, señala Victoria Meadows, una destacada investigadora australiana que dirige el VPL. En los años transcurridos desde el descubrimiento de Domagal-Goldman, Meadows ha encargado a su equipo de 75 personas la identificación de los “principales falsos positivos de oxígeno” que puedan surgir en exoplanetas, así como formas de distinguir estas falsas alarmas de las verdaderas señales oxigénicas procedentes de actividad biológica. Meadows aún cree que el oxígeno es el mejor gas de biofirma pero, añade, “si voy a buscarlo, quiero estar segura que de que cuando lo vea, sé lo que estoy viendo”.

Mientras tanto, Sara Seager, una experta buscadora de “gemelos de la Tierra” del MIT, que es famosa por inventar la técnica espectral para analizar las atmósferas de exoplanetas, está avanzando en los gases de biofirma en una dirección distinta. Seager admite que el oxígeno es prometedor, pero advierte a la comunidad astrobiológica a ser menos terracentrista en su visión de cómo podría funcionar la vida alienígena — a pensar más allá de la geoquímica de la Tierra y el aire concreto que respiramos. “Mi opinión es que no debemos dejar ni una piedra sin remover; tenemos que considerarlo todo”, añade.

Cuando los futuros telescopios amplíen el estudio de mundos similares a la Tierra, sólo será una cuestión de tiempo el que se detecten potenciales gases de biofirma en algún punto lejano del cielo. Será el mayor descubrimiento de todos los tiempos: la prueba de que no estamos solos. Pero, ¿cómo estaremos seguros de ello?

Los científicos deben afinar rápidamente sus modelos y abordar los problemas si van a seleccionar los mejores exoplanetas para buscar con el telescopio James Webb. Debido a los cientos de horas que se necesitan para examinar el espectro de cada atmósfera planetaria, y los muchos competidores que solicitarán su tiempo, el telescopio probablemente sólo observará entre uno y tres mundos similares a la Tierra en las zonas de habitabilidad de estrellas cercanas. Al elegir entre una creciente lista de exoplanetas conocidos, los científicos quieren evitar circunstancias planetarias en las que se generen falsos positivos de oxígeno. “Estamos estudiando y, posiblemente, apostando apostando todo, o casi todo, a un par de opciones”, explica Meadows, “por lo que es importante examinar qué deberíamos buscar allí. Y, en particular, qué podría confundirnos”.

La respiración de la vida

El oxígeno se ha considerado como el patrón de oro desde que el químico James Lovelock considerase por primera vez los gases de biofirma en 1965, mientras trabajaba para la NASA en métodos para detectar vida en Marte. Cuando Frank Drake y otros pioneros de la astrobiología buscaban detectar señales de radio procedentes de lejanas civilizaciones alienígenas — un trabajo en curso conocido como búsqueda de inteligencia extraterrestre (SETI) — Lovelock razonó que la presencia de vida en otros planetas podría deducirse observando gases incompatibles en sus atmósferas. Si dos gases que reaccionan entre sí pueden detectarse a la vez en la atmósfera, entonces debe haber una avivada bioquímica que continuamente reponga el suministro atmosférico del planeta.

En el caso de la Tierra, aunque reacciona fácilmente con hidrocarburos y minerales en el aire y en el terreno para producir agua y dióxido de carbono, el oxígeno diatómico (O2) supone un regular 21 por ciento de la atmósfera. El oxígeno persiste debido a que es vertido al cielo de la Tierra por los seres fotosintéticos — plantas, algas y cianobacterias. Captan la luz solar para arrancar los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, construir carbohidratos, y liberar el oxígeno como un subproducto de desecho. Si cesara la fotosíntesis, el oxígeno existente en el cielo reaccionaría con los elementos de la corteza y caería a unos niveles ínfimos en 10 millones de años. Finalmente, la Tierra tendría el aspecto de Marte, con su aire repleto de dióxido de carbono, y su oxidada y herrumbrosa superficie — prueba, según Lovelock, de que el Planeta Rojo no alberga actualmente vida.

Pero aunque el oxígeno es un distintivo de la vida en la Tierra, ¿por qué debería serlo en todos sitios? Meadows defiende que la fotosíntesis ofrece una clara ventaja evolutiva que es probable que esté extendida en cualquier biosfera. La fotosíntesis pone a trabajar a la mayor fuente de energía de cualquier planeta, su estrella, en una de las materias primas planetarias más comunes: agua y dióxido de carbono. “Si quieres tener un gran metabolismo, evolucionarás algo que te permita usar la luz solar, debido a que es lo que hay”, señala Meadows.

El oxígeno diatómico también se jacta de unas fuertes bandas de absorción en el rango de la luz visible y del infrarrojo cercano — el rango de sensibilidad exacta tanto del telescopio James Webb como del Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), una misión planificada para la década de 2020. Con tantas esperanzas inminentes puestas en el oxígeno, Meadows está determinada a saber “dónde es posible que estén los problemas”. Por el momento, su equipo ha identificado tres grandes mecanismos no biológicos que pueden inundar la atmósfera con oxígeno, produciendo falsos positivos para la vida. En los planetas que se formaron alrededor de pequeñas y jóvenes estrellas del tipo enana M, por ejemplo, una intensa luz solar ultravioleta puede, en ciertos casos, hacer hervir los océanos del planeta, creando una atmósfera con una gruesa capa de vapor de agua. A gran altitud, tal como informaron los científicos del VPL en la revista Astrobiology el año pasado, una intensa radiación UV separaría los átomos de hidrógeno. Estos átomos entonces escaparían al espacio, dejando tras de sí un velo de oxígeno miles de veces más denso que la atmósfera de la Tierra.

Debido al pequeño tamaño de las estrellas enanas M se hace más fácil detectar planetas pequeños y rocosos que pasen frente a ellas, los objetivos del satélite TESS de la NASA, una misión de búsqueda de planetas con lanzamiento planificado para el próximo año. Los planetas similares a la Tierra que estudiará el telescopio James Webb serán seleccionados de entre los hallados por TESS. Con estos candidatos en camino, los astrobiólogos deben aprender a distinguir entre los seres alienígenas fotosintéticos, y un hervido oceánico desbocado. En un trabajo que está preparándose para su publicación, Meadows y su equipo demuestran que se forma libremente una banda de absorción espectral de tetraoxígeno (O4) cuando colisionan moléculas de O2. En una atmósfera de O2 más densa habrá más colisiones moleculares y la señal de tetraoxígeno será más fuerte. “Podemos buscarlo [el O4] para que nos sirva de señal reveladora de que no sólo estamos observando una atmósfera de 1 bar con un 20 por ciento de oxígeno” — una atmósfera similar a la Tierra que sugiere fotosíntesis — explica Meadows, “sino que estamos observando algo que tiene cantidades masivas de oxígeno en ella”.

Una fuerte señal de monóxido de carbono identificará el falso positivo que Domagal-Goldman encontró en esa mañana lluviosa de 2010. Ahora científico investigador en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, dice que no está preocupado por la promesa a largo plazo del oxígeno como un gas de biofirma fiable. Los falsos positivos del oxígeno sólo se dan en casos muy raros, comenta, “y el planeta que tenga esos casos también tendrá unas propiedades observacionales que deberíamos poder detectar, siempre que lo pensemos por adelantado, que es lo que estamos haciendo actualmente”.

Él y otros astrobiólogos están pendientes, sin embargo, de los falsos negativos del oxígeno — planetas que albergan vida pero que no tienen oxígeno detectable en sus atmósferas. Tanto los falsos positivos como los falsos negativos han ayudado a convencer a Sara Seager de la necesidad de pensar más allá del oxígeno y explorar biofirmas más extrañas.

La enciclopedia de los gases

Si el descubrimiento de diversos exoplanetas en la última década nos ha enseñado algo, es que los tamaños, composiciones y químicas de los planetas varían drásticamente. Tratando al oxígeno como el único gas de biofirma, defiende Seager, estaríamos pasando algo por alto. Y con el sueño personal de descubrir señales de vida alienígena, la investigadora de 44 años no puede tolerar esto.

Incluso en la Tierra, según señala Seager, los seres fotosintéticos estuvieron bombeando oxígeno durante cientos de millones de años antes de que el proceso superase la ocultación del oxígeno en la Tierra y empezase a acumularse en la atmósfera, hace 2400 millones de años. Hasta hace unos 600 millones de años, si juzgásemos a la Tierra desde la distancia sólo por sus niveles de oxígeno, habría aparecido como un planeta sin vida.

Meadows y sus colaboradores han estudiado algunas alternativas a la fotosíntesis oxigénica, pero Seager, junto a William Bains y Janusz Petkowski, están defendiendo lo que llaman un enfoque de “todas las moléculas”. Están compilando una base de datos exhaustiva de moléculas — 14 000 por el momento — que podrían existir en forma gaseosa. En la Tierra, muchas de estas moléculas se emiten en cantidades minúsculas por exóticas criaturas apiñadas en fuentes hidrotermales y otros entornos extremos; no se acumulan en la atmósfera. Los gases podrían acumularse en otros contextos planetarios, sin embargo. En planetas ricos en metano, como defendieron los investigadores en 2014, los seres fotosintéticos podrían aprovechar el carbono del metano (CH4) en lugar del CO2, y expulsar hidrógeno en lugar de oxígeno, lo que llevaría a un aumento de amoniaco. “El objetivo definitivo a largo plazo es observar otro mundo y hacer algunas suposiciones con base sobre qué vida podría producirse en dicho mundo”, comenta Bains, que reparte su tiempo entre el MIT y Rufus Scientific en el Reino Unido.

Domagal-Goldman está de acuerdo en que pensar en intenso sobre el oxígeno, y en extenso sobre el resto de posibilidades bioquímicas, es importante. “Debido a que todas estas sorpresas han aparecido en nuestras detecciones de masas, radios, y propiedades orbitales de todos estos mundos”, comenta, “[los astrónomos] van a seguir presionando a personas como yo, con una formación en ciencias de la Tierra, diciendo: ‘Vamos a pensar más en esto en otros aspectos’. Es una presión sana y necesaria”.

Meadows, no obstante, cuestiona que el enfoque de todas las moléculas sea práctico. En un correo electrónico de 3000 palabras criticando las ideas de Seager, escribe: “Después de construir esta base de datos exhaustiva, ¿cómo identificas las moléculas que tienen más probabilidades de que sean producidas por la vida? Y cómo identificas sus falsos positivos?”. Concluye que: “Aún tienes que guiarte por la vida en la Tierra y por nuestra comprensión de los entornos planetarios y cómo interactúa la vida con esos entornos”.

Al contemplar qué podría ser la vida, es exasperantemente difícil escapar al único punto de datos que tenemos — por el momento.

Probabilidad incierta

En un simposio de 2013, Seager presentó una versión revisada de la ecuación de Drake, la famosa fórmula de Frank Drake de 1961 que evalúa las posibilidades de que SETI tuviese éxito. Mientras que la ecuación de Drake multiplica una cadena de factores en su mayoría desconocidos para estimar el número de civilizaciones emisoras de radio en la galaxia, la de Seager estima el número de planetas con gases de biofirma detectables. Con la capacidad moderna de buscar vida sin importar si es intelectualmente capaz de enviar mensajes al espacio, el cálculo de nuestras posibilidades de éxito ya no depende de incertidumbres como la rareza de la inteligencia como resultado de un proceso evolutivo, o de la popularidad galáctica de la tecnología de radio. Sin embargo, una de las mayores incógnitas aún persiste: la probabilidad de que la vida surja en un planeta rocoso, acuoso, y atmosférico como el nuestro.

La “abiogénesis,” que es como se conoce a este misterioso evento, parece haber tenido lugar no mucho después de que la Tierra acumulase agua líquida, lo que lleva a algunos a especular que la vida podría iniciarse rápidamente, incluso inevitablemente, bajo condiciones favorables. Pero, de ser así, ¿no debería haberse dado la abiogénesis múltiples veces en los 4500 millones de años en la historia de la Tierra, creando distintos linajes bioquímicos en lugar de una monocultura basada en el ADN? John Baross, microbiólogo en la Universidad de Washington que estudia el origen de la vida, explicó que el proceso de abiogénesis podría haberse dado en repetidas ocasiones, creando una colección de códigos genéticos, estructuras y metabolismos en la joven Tierra. Pero el intercambio genético y la selección darwiniana habrían fusionado estos distintos inicios en un único linaje, el cual, desde entonces, ha colonizado virtualmente cada entorno de la Tierra, evitando que nuevos inicios tuviesen éxito. Por resumir, es virtualmente imposible decir si la abiogénesis fue una fluctuación estadística, o una ocurrencia común — aquí, o en cualquier parte del universo.

Con su charla planificada al final del simposio, Seager usó un tono más desenfadado en la fiesta de clausura. “Poniéndolo todo a nuestro favor”, comenta, suponiendo que la vida tiene un 100% de posibilidades de surgir en planetas similares a la Tierra, y que la mitad de estas biosferas tendrá gases de biofirma detectables — otra incertidumbre en su ecuación. Al calcular estos números extremadamente optimistas, la predicción que se arroja es que se detectarán dos señales de vida alienígena en la próxima década. “Se supone que debes reírte”, comenta Seager.

Meadows, Seager y sus colegas están de acuerdo en que las posibilidades de tal detección en esta década son ínfimas. Aunque las expectativas mejorarán con las futuras misiones, el telescopio James Webb tendría mucha suerte si captara un ganador en sus primeros intentos. E incluso si uno de los planetas objetivo alberga vida, las medidas espectrales pueden desbaratarse fácilmente. En 2013, el Telescopio Espacial Hubble monitorizó el paso de la luz estelar a través de la atmósfera de un planeta de tamaño mediano conocido como GJ 1214b, pero el espectro era plano, no había huellas químicas en absoluto. Seager y sus colaboradores informaron en Nature de que las capas de nubes de gran altitud parecían haber oscurecido el cielo del planeta a nuestra visión.

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