Cómo los rayos cósmicos podrían haber moldeado la vida

Antes de que hubiera animales, bacterias o incluso ADN en la Tierra, las moléculas auto-replicantes estaban evolucionando lentamente en su camino desde la simple materia a la vida, soportando una constante lluvia de partículas energéticas del espacio.

En un nuevo artículo, un profesor de Stanford y un ex becario de postdoctorado especulan que esta interacción entre los antiguos protoorganismos y los rayos cósmicos puede ser responsable de una preferencia estructural crucial, llamada quiralidad, en las moléculas biológicas. Si su idea es correcta, sugiere que toda la vida en el universo podría compartir la misma preferencia quiral.

La quiralidad es la existencia de versiones especulares de las moléculas. Como la mano izquierda y la derecha, dos formas quirales de una sola molécula se reflejan mutuamente en la forma pero no se alinean si se las apila. En cada biomolécula principal - aminoácidos, ADN, ARN - la vida solo utiliza una forma de quiralidad molecular. Si la versión especular de una molécula es sustituida por la versión regular dentro de un sistema biológico, el sistema a menudo funcionará mal o dejará de funcionar por completo. En el caso del ADN, un solo azúcar de quiralidad incorrecta alteraría la estructura helicoidal estable de la molécula.

Louis Pasteur descubrió esta homoquiralidad biológica por primera vez en 1848. Desde entonces, los científicos han debatido si la quiralidad de la vida fue impulsada por el azar o por alguna influencia determinística desconocida. Pasteur planteó la hipótesis de que, si la vida es asimétrica, entonces puede deberse a una asimetría en las interacciones fundamentales de la física que existen en todo el cosmos.

"Proponemos que la transmisión biológica de la que somos testigos ahora en la Tierra se debe a la evolución en medio de una radiación polarizada magnéticamente, donde una diminuta diferencia en la tasa de mutación puede haber promovido la evolución de la vida basada en el ADN, en lugar de su imagen especular", dijo Noémie Globus, autora principal del documento y antigua becaria de Koret en el Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología (KIPAC).

Lluvias de partículas de alta energía originadas en el sol y nuestra galaxia chocan con el nitrógeno y el oxígeno de la atmósfera superior terrestre. A nivel del suelo, la lluvia está dominada por muones polarizados magnéticamente. En el lugar protobiológico, los ácidos nucleicos asumieron una conformación helicoidal diestra o zurda. La radiación polarizada magnéticamente ionizó preferentemente un tipo de "mano", lo que condujo a una tasa de mutación ligeramente diferente entre las dos protoformas de vida especulares. Con el tiempo, las moléculas diestras evolucionaron más que las zurdas.  (Foto: Simons Foundation)

En su artículo, publicado en la revista Astrophysical Journal Letters, los investigadores detallan su argumento a favor de los rayos cósmicos como el origen de la homoquiralidad. También discuten experimentos potenciales para probar su hipótesis.

Los rayos cósmicos son una forma abundante de radiación de alta energía que se origina en varias fuentes en todo el universo, incluyendo estrellas y galaxias distantes. Después de golpear la atmósfera de la Tierra, los rayos cósmicos acaban degradándose en partículas fundamentales. A nivel del suelo, la mayoría de los rayos cósmicos existen solo como partículas conocidas como muones.

Los muones son partículas inestables, que existen por apenas 2 millonésimas de segundo, pero debido a que viajan cerca de la velocidad de la luz, han sido detectados a más de 700 metros bajo la superficie de la Tierra. También están polarizados magnéticamente, lo que significa que, en promedio, todos los muones comparten la misma orientación magnética. Cuando los muones finalmente decaen, producen electrones con la misma polarización magnética. Los investigadores creen que la capacidad de penetración del muón permite que él y sus electrones hijos afecten potencialmente a las moléculas quirales en la Tierra y en cualquier otro lugar del universo.

"Los rayos cósmicos nos irradian todo el tiempo", explicó Globus, que actualmente es investigador postdoctoral en la Universidad de Nueva York y en el Instituto Flatiron de la Fundación Simons. "Sus efectos son pequeños pero constantes en todos los lugares del planeta donde la vida podría evolucionar, y la polarización magnética de los muones y los electrones es siempre la misma. E incluso en otros planetas, los rayos cósmicos tendrían los mismos efectos".

La hipótesis de los investigadores es que, al comienzo de la vida en la Tierra, esta radiación constante y consistente afectó a la evolución de las dos formas de vida especulares de diferentes maneras, ayudando a que una prevalezca finalmente sobre la otra. Estas diminutas diferencias en la tasa de mutación habrían sido más significativas cuando la vida estaba comenzando y las moléculas involucradas eran muy simples y más frágiles. En estas circunstancias, la pequeña pero persistente influencia quiral de los rayos cósmicos podría haber producido, a lo largo de miles de millones de generaciones de evolución, la única quiralidad biológica que vemos hoy en día.

"Esto es un poco como una rueda de ruleta en Las Vegas, donde se podría provocar una ligera preferencia por las casillas rojas, en lugar de las negras", dijo Roger Blandford, Profesor en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford y autor del artículo. "Juega unos cuantos juegos, y nunca te darás cuenta. Pero si juegas con esta ruleta durante muchos años, los que apuestan habitualmente al rojo ganarán dinero y los que apuestan al negro perderán y se irán".

Globus y Blandford sugieren experimentos que podrían ayudar a probar o refutar su hipótesis sobre los rayos cósmicos. Por ejemplo, les gustaría probar cómo las bacterias responden a la radiación con diferente polarización magnética.

"Experimentos como este nunca se han realizado y estoy emocionado de ver lo que nos enseñan. Habrá inevitablemente sorpresas gracias a posteriores trabajos en temas interdisciplinarios", dijo Globus.

Los investigadores también esperan con interés muestras orgánicas de cometas, asteroides o Marte para ver si también exhiben un sesgo quiral.

"Esta idea conecta la física fundamental y el origen de la vida", dijo Blandford, que también es profesor de Stanford y del SLAC de física y física de partículas y ex director del KIPAC. "Independientemente de si es correcto o no, tender un puente entre estos campos tan diferentes es emocionante y un experimento exitoso debería ser interesante". (Fuente: NCYT Amazings)