Quin és el proper pas en la cerca de vida en exoplanetes?

El satèl·lit Kepler ens ha descobert diversos planetes en els zones habitables dels seus estels. Quin hauria de ser el proper pas?

Una de les coses que es farà en els propers anys es buscar biosignatures, és a dir, indicis de substàncies presents en les atmosferes d’aquests planetes que estiguin relacionades amb l’existència d’éssers vius.

Si, per exemple, es detectés, mitjançant anàlisi espectroscòpic de la llum del estel quan passa a través de l’atmosfera del planeta quan aquest fa un trànsit davant del estel, metà i oxigen, això seria un indicador important de possible presència de vida, ja que és difícil tenir aquests dos productes químics de forma abiòtica en l’atmosfera. El metabolisme de les cèl·lules pot ser semblant al de la Terra, encara que les cèl·lules tinguin un genoma molt diferent. Combinant CO2 i hidrogen produirà metà i agafant hidrogen de l’aigua i produint oxigen és un  procés metabòlic guanyador si les cèl·lules són capaces de fer-ho.

Per a detectar oxigen i metà caldrien dos tipus de telescopis diferents, un més petit i senzill per observar l’oxigen amb llum visible  o propera a l’infraroig i un altre més gran i complex per a observar el metà en l’infraroig.  Aquests telescopis, combinats, també podrien  mesurar altres gasos com vapor d’ aigua i CO2.

Un dels projectes és posar en òrbita més enllà de Júpiter  (on hi ha menys pols) 4 telescopis amb miralls de 1,5 m de diàmetre, situats en una barra de 75 m de longitud, per a usar l’efecte multiplicador de la interferometria. Haurien d’estar refrigerats a temperatures de quasi el zero absolut per a distingir la llum infraroja dels planetes. El contrast entre al llum visible d’un estel i d’un desl seus planetes és d’una part en 10.000 milions, mentre que en llum infraroja és d’una part en 10 milions i, per tant, és més fàcil de separar la llum que prové del estel de la que prové del planeta.  D’aquesta forma es podrien investigar els planetes dels 1.000 estels més propers als Sol. A partir d’aquí es podrien llançar telescopis més grans separats milers de km coordinats per làser.

De totes maneres, tenint en compte les dificultats que un projecte com aquest presenta, sobretot per la refrigeració necessària, hi ha projectes alternatius amb un sol telescopi bloquejant al llum de l’estel amb un coronògraf , encara que això també presenta els seus problemes. Degut als problemes de pressupost de la Nasa, provocats per la crisi econòmica, tots aquest projectes han quedat postergats.

Recentment, Robert Hazen també ha proposat l’estudi de grans dipòsits superficials de minerals com els que es troben al Marroc que podrien indicar vida. (Podeu revisar el bloc del dia 20.7.13 sobre la co-evolució dels minerals amb la vida).   Naturalment, per a fer-ho, necessitaríem encara telescopis més potents o missions no tripulades que tardarien molts anys en arribar als planetes.

Pot un professor fer un examen sorpresa si anuncia que el farà la setmana vinent?

Les lleis de la lògica són implacables. Imaginem que un professor anuncia que la propera setmana farà un examen sorpresa. Es això possible?

Per a simplificar,  i fer el raonament més entenedor, imaginem que els ha dit que l’examen sorpresa serà dimecres, dijous o divendres. El professor no pot posar l’examen divendres perquè, si el dijous al sortir de classe els alumnes no han tingut l’examen, sabran que serà el divendres i això no serà cap sorpresa. Però tampoc el pot posar dijous perquè, al sortir de classe el dimecres, els alumnes llestos sabran que, no podent posar-lo el darrer dia de la setmana, segur serà dijous i, per tant, això tampoc els sorprendria. Per tant, els alumnes més llestos han de raonar el dimarts que l’examen serà dimecres cosa que si passa ja no serà cap sorpresa.

El professor pot sorprendre’ls no posant l’examen el dimecres o dijous, però no els pot sorprendre posant-lo.

En definitiva, si el professor els vol sorprendre ha de romandre en silenci.

Per aquesta i altres paradoxes i limitacions en la nostra capacitat de comprensió podeu llegir “The Outer Limits of Reason” de Noson S. Yanofsky.

Aplicacions dels muons o com veure-hi dins dels reactors de Fukushima on ni els raigs X hi poden penetrar

Amb el tsunami de l’any 2011 els nuclis de tres reactors de Fukushima es van fusionar. Més tard, al disminuir la calor, els materials radioactius es van solidificar, però hi ha tones de urani, plutoni, cesi, estronci, etc. altament radioactius  en estructures deformades, que no són visibles des de l’exterior ja que ni els raigs X poden penetrar les parets gruixudes de formigó i acer dels reactors. Per a netejar els reactors cal fabricar eines espacials, però per a fer-ho cal tenir una visió del que hi ha a dins.

Afortunadament, el laboratori de Los Alamos ha desenvolupat un detector que usa muons i que ja es fa servir per a esbrinar si un contenidor conté urani o plutoni il·legal.

 

Com segurament sabreu, hi ha tres generacions de partícules elementals. El muó és el germà mitjà de l’electró, una partícula similar, de la mateixa carga, però 200 vegades més massiu.  Ara bé, us preguntareu com es pot obtenir una font de muons, ja que aquestes partícules no estan integrades en els àtoms com ho estan els electrons i, endemés, els muons són inestables i  la meitat decauen en 2,2 milionèsimes de segon.  Resulta que els muons ens els proporciona gratis l’atmosfera on els produeixen els raigs còsmics que bombardegen la Terra. Per cert, la vida d’aquests, que viatgen quasi a la velocitat de la llum, s’allarga per efectes relativistes.  Són tan penetrants que molts travessen tot el nostre planeta i s’escapen per l’altre extrem a l’espai. Ocasionalment, però, un  muó xoca contra un nucli atòmic desviant-se de la seva trajectòria i, recollint les dades de molts muons, això ens indica la densitat i la forma dels objectes contra els que xoquen.  La companyia de Virginia Decision Sciences International, que comercialitza un detector de muons assegura que en 45 segons pot saber si un contenidor de 40 peus conté urani o plutoni.

Si Toshiba, el propietari dels reactors de Fukushima, compra el detector modificat pel laboratori de Los Alamos, aquest tardarà molt més temps en esbrinar l’estructura dels reactors.

A nivell del mar, cada segon passen 10.000 muons per metre quadrat, però només impactaran amb el reactor alguns, per la qual cosa es necessitaran setmanes per a obtenir una imatge de l’interior del reactor.

De fet, aquesta tecnologia no és nova ja que es va usar en els anys 60 per investigar l’interior de la gran piràmide de Giza.

 

 

 

L'emergència de vida complexa

Els que heu llegit els blocs precedents sabeu que m’interessen, principalment, les grans qüestions com són, l’origen de l’univers, l’origen de la vida, el desenvolupament de la intel·ligència, etc.

Al bloc del 24 d'abril d'aquest any ens vam preguntar per l’existència de vida i de vida intel·ligent fora de la Terra i vam veure que hi havia opinions optimistes, com les de Drake i Sagan, i altres pessimistes, com la de Monod.  Pot ser ara és el moment de que us parli d’una posició intermèdia. Segons  aquesta, la vida microbiana seria freqüent, però la vida complexa, la eucariota, multicel·lular, aeròbica i, fins i tot, intel·ligent seria extremadament rara. La base per a fer aquestes afirmacions seria l’estudi de la vida a la Terra i, tot i que generalitzar a partir d’un sol exemple, és extremadament arriscat, no tenim, de moment, més opcions.

Extrapolant els resultats del satèl·lit Kepler, pot ser hi han 40.000 milions de planetes en zones habitables al voltant d’estels de la nostra galàxia, 11.000 milions dels quals al voltant d’estels semblants al Sol.

Si la vida pot desenvolupar-se a tants llocs, com és que tots els esforços per a detectar vida intel·ligent han estat infructuosos? Poden, naturalment, haver diversos motius com, per exemple, que la vida de les civilitzacions sigui curta degut a catàstrofes naturals (asteroides, supernoves, per exemple) o auto infligides (guerres nuclears, pandèmies de virus sintètics).

Però l’explicació pot ser una altra. Es possible que la vida en la seves formes més senzilles sigui abundant a l’univers. La vida procariota no va tardar molt a aparèixer, una vegada les condicions van ser adequades a la Terra. D’això fa uns 3.500 milions d’anys. Un dels elements vitals pels éssers vius és l’energia i els organismes avançats fan servir enzims sofisticats per extraure-la dels aliments de forma eficient, però la vida primitiva no va disposar d’aquests mecanismes i, per això, segurament es va aprofitar els llocs on l’energia era abundant . Probablement la reacció més elemental és la que combina CO2 i H2 que produeix molècules orgàniques (que són els elements constructius dels organismes vius) i energia que resulta important per anar formant molècules més llargues gràcies a l’energia sobrant. Però aquesta reacció, usada ja al principi pels bacteris metanògens (productors de metà) no és fàcil d’iniciar.

La segona manera de com els éssers vius obtenen l’energia va ser proposada pel bioquímic anglès Peter Mitchell en el 1961. Ell va suggerir que les cèl·lules obtenen energia mitjançant una mena de corrent elèctric, específicament, per la diferència de concentració de protons a través de les seves membranes.  Això fa que s’estableixi una diferència de potencial entre els dos costats de les membranes de 150 milivolt. Això sembla una diferència de potencial petita, però tenint en compte el gruix de la membrana de 5 milionèsimes de mm, la força del camp equival a 30 milions de volts per metre!   Aquest camp de forces és tan universal en les cèl·lules com el codi genètic. Gràcies a ell es mouen els flagels de molts organismes unicel·lulars o s’obté el poderós fuel cel·lular anomenat ATP.

Com va obtenir la vida primitiva la energia necessària pel seu desenvolupament? El geòleg Michael Russell va proposar fa uns vint anys que l’entorn més adequat podien ser fonts hidrotermals alcalines en el mar. Aquestes fonts alcalines es formen quan l’aigua de mar es filtra en les roques del mantell terrestre. Una de les típiques és la olivina que és un mineral de ferro i magnesi.   La olivina i l’aigua reaccionen produint serpentina en un procés que trenca la roca i fa que hi entri més aigua perpetuant la reacció. Aquest procés produeix fluids alcalins rics en hidrogen. Els minerals precipiten i es formen roques de 60 metres d’alçada.

                                            Fonts termals alcalines on es pot haver originat la vida

Fa 4.000 milions d’anys el mar era més ric en CO2 i era més acídic, és a dir hi havia un excés de protons. Dins de les fonts hidrotermals hi havia sulfits de ferro, molibdè i níquel que podien catalitzar les reaccions per a convertir el CO2 en molècules orgàniques. Normalment costa que el CO2 i l’hidrogen reaccionin per a formar molècules orgàniques, però entre els fluids alcalins de les fonts hidrotermals i l’aigua de mar acídica es forma un gradient protònic que junt amb els catalitzadors fa possible la reacció. Com que la reacció del CO2 amb H2 genera energia, la vida aleshores pot procedir. Sembla, per tant, que per a que la vida emergeixi només ens cal roques, aigua i CO2.  Tots aquest processos haurien de ser possibles a molts dels planetes de les zones habitables.

A partir d’aquí, què passa?  A la Terra l’evolució va tardar molt de temps, gairebé la meitat de la vida del planeta, a generar formes més complexes de vida. Endemés, segons sembla, això només va passar una vegada: totes les cèl·lules eucariotes provenen d’un avantpassat comú anomenat LECA (Last Eukaryotic Common Ancestor). 

Si les cèl·lules procariotes es poden comparar a avions de caça, les eucariotes serien com portaavions, unes 15.000 vegades més grans que el bacteri típic i amb genomes molt més complexos. Tota la vida complexa: animals, plantes i fongs, son eucariotes. Els procariotes no poden evolucionar a formes més complexes.  Les cèl·lules necessiten molta energia per a cada gen perquè fabricar proteïnes a partir de gens consumeix molta energia.  Els procariotes, per a créixer i fer-se més complexos necessiten generar més energia i, com que l’energia s’obté de la diferència de potencial a la membrana, han de fer més gran la membrana, però per a mantenir el control del potencial de la membrana han de fer més còpies del genoma perquè John Allen va dir fa 20 anys (i s’ha anat comprovant) que són els genomes els que controlen el potencial de la membrana i els hi cal estar prop de ella.

Per tant, les cèl·lules procariotes, per a créixer i ser més complexes, han de generar més energia i per això han de fer més gran la membrana, però per a mantenir el control del potencial de la membrana han de fer còpies del seu genoma, la qual cosa significa que no obtenen més energia per gen. És a dir, quants més gens menys coses poden fer amb ells i un genoma ple de gens que no es poden usar no significa cap avantatge.

Aleshores,  com s’ho van fer les cèl·lules eucariotes?  Fa uns dos mil milions d’anys una cèl·lula va absorbir una altra que era un bacteri i al reproduir-se aquests bacteris endosimbiòtics van evolucionar cap a uns petits generadors d’energia, les mitocòndries. I dels, potser, 3.000 gens inicials es van anar reduint als merament essencials, avui dia uns quaranta.  Per la cèl·lula hoste va passar al revés: al reduir-se el genoma mitocondrial, la quantitat d’energia per gen es va fer més gran i el genoma va poder créixer. Aquests genomes expandits van fer possible la vida complexa. Les mitocòndries no van provocar la complexitat, però la van fer possible.  En resum, aquest fet va ser extraordinari i potser no sigui fàcilment repetible en altres planetes on la vida bacteriana pugui aparèixer.

Un  altre fet extraordinari per l’evolució de la vida complexa sobre la Terra es va produir fa uns 2.450 milions d’anys (o abans) quan els cianobacteris van adquirir la capacitat fotosintètica i sembla que això es va produir un sola vegada. Els cianobacteris són els únics procariotes capaços de fer la fotosíntesi oxigènica (productora d’oxigen). La fotosíntesi és avui la principal font d’energia pels éssers vius.  La generació d’oxigen per part dels cianobacteris va transformar l’atmosfera de la Terra i va fer possible la respiració dels animals terrestres i la evolució cap a la intel·ligència. Aquesta va ser la primera gran pol·lució atmosfèrica i va causar la mort de molts microbis anaeròbics pels quals l’oxigen era com un verí. El descens del nombre de microbis metanògens,  va causar la baixada de temperatures i va provocar una glaciació tan gran que les glaceres van arribar fins l’equador.

Fa uns 1000 milions d’anys els primers organismes multicel·lulars es van formar, entre ells les meduses i les esponges. Fa uns 600 milions d’anys l’oxigen atmosfèric va arribar a nivells semblants als actuals i una nova generació d’eucariotes van començar a explotar el seu immens poder per a alliberar energia. Endemés,  es va formar ozó a les altes capes de l’atmosfera i l’ozó va protegir els organismes vius dels raigs ultraviolats.  Per primera vegada, organismes multicel·lulars podien obtenir, mitjançant l’oxigen, suficient energia per a donar suport als seus grans cossos actius. Els dos principals reialmes de la vida, les plantes i els animals, es complementen. Les plantes obtenen l’energia del sol i mitjançant la fotosíntesi (*),  que van heretar dels cianobacteris al captar-los donant lloc als cloroplasts, transformen CO2 i aigua en sucres i oxigen i elles serveixen d’aliment als animals.  I alguns animals ajuden a disseminar les llavors i a la pol·linització de les plantes.

En resum: la vida microbiana procariota pot ser molt abundant, ja que sembla que només depèn d’aigua, roques i CO2. Però la evolució cap a la vida més complexa, la eucariota i la multicel·lular (**),  sembla que va ser fruit de la casualitat i això potser només s’ha produït una sola vegada a la galàxia.

(*) L’energia captada per les plantes és equivalent a 6 vegades el consum de la nostra civilització.

(**) La vida multicel·lular s’ha desenvolupats diverses vegades, però l’evolució cap a cossos grans capaços de tenir un cervell suficientment complex per la intel·ligència segurament no hagués estat possible sense els cianobacteris.