JAVIER GÓMEZ-ELVIRA I ASTROBIOLOGÍA: UNIVERSO Y VIDA I ...

ENTREVISTA: JAVIER GÓMEZ-ELVIRA I ASTROBIOLOGÍA: UNIVERSO Y VIDA I DEPARTAMENTOS DEL CAB

La aventura de la vida

Revista de Astrobiología. N.1 - 2011

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La pregunta “¿Hay vida en otros lugares del Universo?” tenía, hasta hace poco,únicamente implicaciones filosóficas. Pero actualmente se está empezando aabordar desde otros campos de la Ciencia. Precisamente, la Astrobiología aglutinatodos los esfuerzos dirigidos a encontrar su respuesta, tratando de entender cómoson los procesos por los que una nube de polvo interestelar llega a transformarseen un sistema planetario en el que alguno de sus cuerpos se desarrolla de talforma que aparecen microorganismos que lo pueblan y evolucionan. El reto de laAstrobiología es fabuloso y, embarcarse en esa misión, es realmente una aventura:la “aventura de la vida”.

“La divulgación es una obligación que tiene la comunidad científica y tecnológicacon la sociedad”: esta es una frase que, desgraciadamente, todavía no ha calado losuficiente en nuestra comunidad. Quizás el problema esté en nuestra formación:nadie nos ha enseñado a hacerlo y muchos no sabemos cómo se hace, peronuestra obligación es intentarlo, porque es realmente una obligación para con lasociedad.

No cabe duda de que la divulgación en Astrobiología es muy atractiva para el granpúblico por el interés del tema que aborda y porque su multidisciplinariedad atraea “curiosos” de muchas áreas.

Desde su creación, de la mano de Juan Pérez-Mercader, el Centro de Astrobiología(INTA-CSIC) ha considerado la divulgación como una de sus actividades básicas:esta revista es un intento más en esa dirección. Con ella, no sólo se quiereinformar a la sociedad de sus actividades más relevantes, sino que pretende ser un“imán” para atraer hacia la ciencia y la tecnología a todo aquel que sientacuriosidad y quiera satisfacerla.

D. Jaime Denis ZambranaDirector General del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA)

2Presentación

3Divulgación en el CAB / Staff

4Entrevista con el Director del CAB

6Astrobiología: Universo y Vida

10Instrumentos para buscar vida

en otros mundos

14Estrellas, Planetas y Vida

20Evolución de los planetas y sus

atmósferas

26Historia e inicio de la vida

32Contraportada

Presentación Contenidos

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staff

El Centro de Astrobiología (CAB) es un centro mixto de investigación perteneciente al Ins-tituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y al Consejo Superior de InvestigacionesCientíficas (CSIC). El CAB se creó con el objetivo de proporcionar un verdadero ambien-te científico de tipo transdisciplinar para el desarrollo de la Astrobiología, que aglutina di-versas disciplinas científicas para estudiar el origen, evolución y distribución de la vida enel Universo. Actualmente, más de 300 investigadores y técnicos desarrollan en el CAB di-ferentes proyectos científicos tanto nacionales como internacionales.Dado el gran interés social de las cuestiones relacionadas con la Astrobiología, entre losobjetivos del CAB se hallan, en particular:• Asegurar la transferencia de conocimiento entre diferentes disciplinas así como con el

sector industrial.• Formar a una nueva generación de astrobiólogos.• Fomentar la extensión de la cultura científica en nuestro país. La Unidad de Cultura Científica del CAB (UCC-CAB), dependiente de la Dirección del Cen-tro, posibilita la interrelación entre los investigadores y el público en general, de modo quela Astrobiología sea una ciencia al alcance de la ciudadanía. Los objetivos generales de laUCC-CAB son potenciar la divulgación de los avances científicos en el campo de la Astro-biología, optimizar las vías de comunicación internas y externas con las que cuenta el CABy posibilitar una interacción fluida entre la comunidad investigadora del CAB y el gran pú-blico. A través de estas amplias líneas de acción se pretende potenciar la función social de la in-vestigación y la difusión del conocimiento, haciendo así del CAB un Centro dinámico yen estrecho contacto con la sociedad y con los medios de comunicación, haciendo accesi-bles las investigaciones y desarrollos tecnológicos más novedosos y los descubrimientosmás recientes a la sociedad.El CAB ha trabajado desde su creación en el fomento de la cultura científica orientada ha-cia estos pilares, integrando en la UCC-CAB todas las actuaciones y políticas que tuvieranrelación con la difusión del conocimiento, las relaciones públicas, la comunicación insti-tucional, el trabajo y la imagen del Centro.La edición de Zoé - Revista de Astrobiología es un ejemplo del compromiso del CAB paraseguir trabajando en la visibilidad social de la ciencia y la tecnología en general, y de la As-trobiología en particular. Se pretende que esta publicación sirva de vehículo para llevar allector el esfuerzo y resultado investigador, estimulando su curiosidad e interés por la Cien-cia y aumentando la valoración social de la investigación que se realiza en el CAB, comoun elemento estratégico para el desarrollo social, cultural y económico de la sociedad.

DIRECTORLuis Cuesta Crespo, Responsable de la UCC-CAB.

COORDINACIÓN EDITORIALNatalia Ruiz Zelmanovitch y Juan Ángel Vaquerizo Gallego,UCC-CAB.

COORDINACIÓN DE CONTENIDOSBenjamín Montesinos Comino, Departamento de Astrofísica.Susanna Cuevas Manrubia, Departamento de EvoluciónMolecular.Felipe Gómez Gómez y Fco. Javier Martín Torres,Departamento de Planetología y Habitabilidad.Javier Martín Soler, Departamento de Instrumentación.

CONSEJO EDITORIALJavier Gómez-Elvira Rodríguez, Director del CAB.José Cernicharo Quintanilla, Vicedirector del CAB.José Miguel Mas Hesse, Jefe del Departamento deAstrofísica.Víctor Parro García, Jefe del Departamento de EvoluciónMolecular.Ricardo Amils Pibernat, Jefe del Departamento dePlanetología y Habitabilidad.José Antonio Rodríguez Manfredi, Jefe del Departamento deInstrumentación.

DISEÑOVicente Aparisi, Proyecto Gráfico y Dirección de Arte.

IMPRESIÓNImprenta Nacional del Boletín Oficial del Estado.

Depósito Legal:NIPO: 078-11-003-6NIPO en línea: 078-11-004-1

Centro de Astrobiología (INTA-CSIC)Carretera de Ajalvir, km 428850 Torrejón de Ardoz (Madrid)http://cab.inta-csic.esE-mail: [email protected]

Zoé – Revista de Astrobiología es una publicación trimestral del Centro deAstrobiología (INTA-CSIC).Zoé – Revista de Astrobiología no se hace responsable de las opiniones delos autores de los artículos.Se autoriza la difusión de los contenidos de esta publicación previo permiso.

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La divulgación en el Centro de Astrobiología

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¿Cómo y cuándo nace el Centro de Astrobiología?En julio de 1997 se creó el NASA Astrobiology Institu-te (NAI), con sede en el NASA Ames Research Center,con el objetivo de fomentar los estudios astrobiológi-cos a través de la financiación de grupos de investiga-ción. En octubre de ese mismo año, el NAI abrió la pri-mera convocatoria de proyectos. Uno de los gruposque presentó un proyecto de investigación estaba for-mado por científicos españoles y americanos, lidera-dos por el Profesor Juan Pérez-Mercader. En 1998 fue-ron seleccionados los primeros once equiposinvestigadores, entre los que se encontraba la propuestaespañola. Como la normativa que regula la investiga-ción en la NASA impide la subvención a institucionesque no sean estadounidenses, hubo que buscar una so-lución alternativa que permitiera albergar en el NAI alos investigadores españoles. Así, en 1999 se crea elCentro de Astrobiología (CAB) como un centro de in-vestigación asociado al NAI.La diferencia fundamental entre el CAB y el resto delos grupos de investigación pertenecientes al NAI es-tá en que el CAB está involucrado en los aspectos cien-tíficos pero no en los administrativos, puesto que, co-mo decía antes, no recibe ningún tipo de financiaciónpor parte de NASA.

¿Qué preguntas pretende responder la investiga-ción astrobiológica?La Astrobiología es una disciplina relativamente nue-va que trata de estudiar el origen y evolución de la vi-da en el universo. Si fuésemos capaces de rebobinar lapelícula de la vida en nuestro planeta, podríamos ob-servar cómo unos microorganismos que se formaronhace alrededor de 4.000 millones de años han ido evo-lucionando junto con el planeta, agrupándose en or-ganismos multicelulares y aumentado su complejidadhasta límites insospechados; el Homo Sapiens es unode los mejores ejemplos. Todo este proceso no hubie-se podido tener lugar si la Tierra no contase con unascondiciones especialmente adecuadas de temperatu-ra, presencia de agua líquida, protección frente a la ra-diación exterior, actividad geológica, etc., todos elloselementos necesarios para que esos primeros micro-organismos pudieran evolucionar.

Pero la Astrobiología trata no solo de encontrar el ori-gen de la vida, sino también de estudiar su evolución.En los primeros millones de años tras la formación dela Tierra se produjo un proceso, aún sin aclarar, en elque aparecieron los primeros “replicadores”: comple-jas factorías bioquímicas capaces de autorreplicarse.Los replicadores representan la culminación del pro-ceso de interacción entre todo el repertorio de ele-mentos químicos y moléculas presentes en nuestro pla-neta en sus primeros miles de años.Previamente, esas moléculas y elementos químicosconstituyen, a su vez, el último paso del proceso de for-mación del Sistema Solar. Nuestro sistema planeta-rio está formado por un conjunto de planetas rocososy gaseosos, en el que la Tierra ocupa la posición ade-cuada respecto al Sol para que se den las condicionesde temperatura, radiación y actividad geológica, así co-mo las necesarias para la existencia de agua, que per-mitan la aparición y evolución de la vida.Y remontándonos todavía más en el tiempo, el conte-nido de las nubes de polvo a partir del cual se formanlos sistemas planetarios es el resultado de las trans-formaciones de la materia que tienen lugar en el inte-rior de las estrellas y de las reacciones químicas que seproducen en el medio interestelar.Es este complejo camino que lleva desde el polvo in-terestelar hasta la vida en un planeta el que trata de ex-plicar la Astrobiología. Es un camino del que actual-mente se conocen algunos tramos, de otros se sabe queno llevan en la dirección deseada y otros se descono-cen por completo.

¿Desde cuantos campos diferentes de la Ciencia seaborda la Astrobiología?Para encontrar el camino que mencionaba antes se ne-cesitan aportaciones procedentes de campos muy di-versos: la astrofísica, la biología, la geología, la física yla química son algunas de las ramas de la ciencia in-volucradas. La ingeniería también juega un importan-te papel, puesto que la participación en misiones es-paciales es uno de los recursos básicos de losastrobiólogos.La investigación en el Centro de Astrobiología estáorganizada en cuatro Departamentos: Astrofísica,

Javier Gómez-ElviraDirector del Centro de Astrobiología

Personajes

Nacido en Madrid, cursaestudios de Ingeniería

Aeronáutica en la UniversidadPolitécnica de Madrid (UPM),

alcanzando el grado de DoctorIngeniero Aeronáutico en 1991.

Su carrera profesional ha estadosiempre ligada al Instituto

Nacional de TécnicaAeroespacial (INTA), primero enel Departamento de Materialesy Estructuras, y después, en elCentro de Astrobiología (CAB).

En diciembre de 2001 esnombrado Vicedirector y jefe del

Departamento deInstrumentación del CAB. Desde

octubre de 2010 es Director enfunciones del Centro.

Su carrera profesional estáligada fundamentalmente al

mundo del espacio. Haparticipado en el desarrollo de

antenas, mecanismos einstrumentos para satélites decomunicaciones y en proyectosaeronáuticos relacionados con

la certificación. Ya en el CAB, ha liderado eldiseño de prototipos para laexploración del río Tinto y el

desarrollo de instrumentos paraexploración espacial. Desde

2008 es el InvestigadorPrincipal del Rover

Environmental MonitoringStation (REMS). Este

instrumento, el primeroíntegramente desarrollado y

construido en España queviajará a otro planeta, es unaestación medioambiental que

irá a bordo del rover Curiosityde la NASA, que será enviado a

Marte a finales de 2011.Está en posesión de la Cruz al

Mérito Aeronáutico.

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Evolución Molecular, Planetología y Habitabilidad,e Instrumentación. En el Departamento de Astrofí-sica se estudia el medio interestelar y circunestelar,la formación y evolución de galaxias, la formacióny evolución de estrellas, los objetos subestelares ylos sistemas planetarios, además de disponer delObservatorio Virtual para facilitar el uso de los da-tos obtenidos por las misiones espaciales. En el De-partamento de Evolución Molecular se estudia laquímica prebiótica, la evolución molecular y los me-canismos moleculares de adaptación biológica. Enel Departamento de Planetología y Habitabilidad seestudia la evolución de los planetas y sus atmósfe-ras, y los ambientes extremos que existen en la Tie-rra. En el Departamento de Instrumentación se di-señan instrumentos para exploración tanto in situcomo remota, además de dar apoyo de ingenieríaal desarrollo de instrumentos para misiones espa-ciales. En esta última línea hay que poner de relie-ve el esfuerzo que se ha hecho en la construcciónde cámaras de simulación para reproducir los pro-cesos geoquímicos y geobiológicos que se puedendar fuera de nuestro planeta. Hay una última líneade trabajo que cubre varios Departamentos y queestá enfocada al estudio de biomarcardores, con ele-mentos únicos de demostración de la existencia devida. Z

“La astrofísica,la biología, lageología, lafísica y laquímica sonalgunas de lasramas de lacienciainvolucradas enlos estudiosastrobiológicos.La ingenieríatambién juegaun importantepapel, con eldiseño ydesarrollo demisionesespaciales”.

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No cabe duda de que existe vida en eluniverso pues todos los seres vivos

que habitamos la Tierra somos pruebade ello. Sin embargo, por el momento,somos el único ejemplo de vida que se

conoce. A la luz de esta evidencia, lainvestigación biológica ha permitido

ampliar enormemente nuestroconocimiento sobre la vida y los seres

vivos terrestres, pero quedan aúnmuchos e importantes interrogantes

por responder. Para empezar,desconocemos en qué consiste

exactamente el concepto de “estarvivo”. Tampoco tenemos respuestas

para determinar cómo apareció la vidaen la Tierra, ni para explicar cómo

evoluciona y se desarrolla. Siampliamos la perspectiva, no sabemostodavía si hay vida en otros lugares del

universo y, en caso de haberla, cómopodríamos detectarla. Para terminar,aún no hay respuesta al interrogantede cuál es el futuro de la vida en la

Tierra y en otros lugares. La disciplinacientífica que busca responder a todasestas cuestiones trascendentales es la

astrobiología.

Astrobiología:Universoy Vida

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Reportaje• Crédito: CAB

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Recreación de la evolucióndel universo y la vida en laTierra desde el Big Banghasta la actualidad.

La definición más aceptada actualmente de astrobiología es la deciencia que estudia el origen, evolución y distribución de la vida enel universo. Una definición tan amplia como esta da una idea de losmúltiples y variados objetivos de los estudios astrobiológicos, queaglutinan aspectos fundamentales de un gran número de discipli-nas científicas tan dispares a primera vista como la astrofísica, lasciencias planetarias y atmosféricas, la geología, la química, la biolo-gía molecular y la biología evolutiva. Los diferentes puntos de vistay aproximaciones que aporta cada una de esas disciplinas se sola-pan entre sí, haciendo que la astrobiología sea, por tanto, multidis-ciplinar.

Las investigaciones astrobiológicas involucran a biólogos, quí-micos, astrofísicos, geólogos, matemáticos e ingenieros. Todos ellostrabajan coordinadamente para contribuir a un mayor entendi-miento de los procesos y condiciones que llevaron a la aparición dela vida en el universo.

Origen y evolución de la vidaDado que la Tierra es el único lugar donde sabemos queexiste vida, sus características nos proporcionan un pa-trón para rastrear su posible existencia en otros lugaresdel universo. La búsqueda de vida fuera de nuestro plane-ta comienza, paradójicamente, en la Tierra. Desde un en-foque biológico, los astrobiólogos se interesan por las for-mas tempranas de vida, realizan un seguimiento de suevolución en la Tierra y tratan de definir los límites parasu supervivencia.

Para saber cómo surge la vida en la Tierra se debedesentrañar el proceso de organización de la materiahasta llegar a la aparición de los seres vivos. Una de lasprimeras teorías propuestas sobre el origen de la vidafue la de la Generación Espontánea, ya defendida porAristóteles, según la cual la vida se creaba a partir demateria inerte. Esta teoría también se denominó Abio-génesis, en oposición a la Biogénesis que sitúa el origende los seres vivos en otros seres vivos. Esta teoría fue fi-nalmente refutada por el químico francés Louis Pasteuren la segunda mitad el S. XIX. En la actualidad, la tran-sición de materia inerte a organismos vivos es exploradadesde dos enfoques: de abajo-arriba y de arriba-abajo.El objetivo es comprender cómo se produce el paso dela química a la biología.

En el enfoque de abajo-arriba (es decir, del pasado alpresente) la vida se origina a partir de materia inanimadaen un proceso de evolución química. El resultado se deno-mina síntesis prebiótica, término utilizado por el bioquí-mico ruso Alexander Oparin en su trabajo pionero de1924. Posteriormente, el genetista británico John Haldanepropuso el mismo proceso, de manera independiente: elorigen abiótico de los primeros organismos vivos por unproceso de evolución química que tuvo lugar en los océa-nos de la Tierra primitiva. Este proceso fue reproducidoen laboratorio por los estadounidenses Stanley Miller yHarold Urey en un famoso experimento realizado en1953.

El enfoque de arriba-abajo (del presente al pasado)propone el estudio genético de los organismos actualespara deducir las características de organismos ancestra-les. Además, se estudian las huellas que dejan de forma di-recta los organismos biológicos -sus restos-, o indirecta -en el entorno, y a través de su actividad vital- en el regis-tro fósil, para localizar y datar las formas de vida más an-tiguas en nuestro planeta.

En los años 80 del S. XXlas investigacionesgenéticas permitierondemostrar que todos losseres vivos conocidosprovienen de un únicoancestro común.


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Sabemos que la Tierra se formó, junto con el Sol y el resto delSistema Solar, hace unos 4.500 millones de años. Se han encontra-do restos fósiles de actividad biológica (biomarcadores) en rocascon una antigüedad de hasta 3.500 millones de años, por lo que lavida podría haber surgido en la Tierra hace entre 3.800 y 4.000 mi-llones de años.

En los años 80 del S. XX estas investigaciones demostraron quetodos los seres vivos provienen de un único ancestro común. Esteorganismo se conoce como LUCA, del inglés Last Universal Com-mon Ancestor o último ancestro común universal; y es la base delárbol genealógico de todos los organismos que pueblan, o han poblado en el pasado, la Tierra. Es la base del árbol de la vida. Sa-bemos que vivió hace más de 3.500 millones de años y que era unmicroorganismo que ya llevaba a cabo, aunque de forma rudimen-taria o incipiente, los mecanismos básicos de todo sistema “vivo”:separación del entorno circundante, metabolismo (obtención deenergía libre por parte de un organismo) y autorreplicación. Las in-vestigaciones actuales tratan de averiguar el proceso desde la evolu-ción molecular hasta nuestro ancestro común, es decir, la búsquedase centra en la conexión entre la química prebiótica y el primer or-ganismo “vivo”.

El experimento de Urey y Miller sirvió para demostrar que laformación de las primeras biomoléculas simples pudo tener lugarbajo las condiciones de la Tierra primitiva y como resultado de reacciones químicas sencillas. Sin embargo, en la actualidad se sa-be que la eficiencia de la síntesis prebiótica está íntimamente ligadaa la composición de la atmósfera primitiva de la Tierra, que todavíano se conoce con exactitud.

A partir de los modelos de evolución estelar se sabe que, en laépoca de la Tierra primitiva, el Sol emitía aproximadamente un 70%de la energía actual y la temperatura media de la Tierra estaba pordebajo del punto de congelación del agua. Sin embargo, como he-mos comentado anteriormente, hay constancia de la existencia deocéanos y de vida desde hace aproximadamente 3.800 millones deaños. Esta “paradoja del Sol débil” se resuelve suponiendo una at-mósfera con una concentración de dióxido de carbono mayor que laprevista. Este dióxido de carbono procedería tanto de las emanacio-nes gaseosas procedentes de la actividad volcánica, como de la des-gasificación de meteoritos y cometas que impactaron contra el pla-neta. Como resultado de ello, se produciría en la Tierra primitiva unefecto invernadero más pronunciado, reteniendo el calor del Sol ydando lugar a las condiciones necesarias para la síntesis prebiótica.

Debido a las incertidumbres sobre las condiciones reinantes enla atmósfera de la Tierra primitiva, se planteó la posibilidad de quela síntesis prebiótica tuviera lugar en lugares más propicios en eluniverso, como el espacio exterior, y posteriormente las biomolécu-

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Reportaje

las fueran transportadas a través de cometas y meteoritos hasta laTierra. Esta hipótesis se conoce como Panspermia (del griego pan,en todas partes, y sperma, semilla) o, a veces también, Litopansper-mia (del griego litos, piedra). El hallazgo en 1969 de aminoácidosidénticos a los obtenidos en el experimento de Urey y Miller en elmeteorito Murchinson hallado en Australia vino a apoyar esta idea.La hipótesis de la Panspermia fue enunciada por primera vez porel biólogo alemán Hermann Ritcher en 1865. Pero fue a comienzosdel S. XX cuando el químico sueco Svante Arrhenius usó el términoPanspermia para explicar que el origen de la vida en la Tierra se ha-llaba en el espacio exterior, tal y como ya planteó el filósofo griegoAnaxágoras en el S. V a.C.

Los límites de la vidaLos astrobiólogos estudian la evolución de la vida (tanto a nivelmolecular como a nivel de organismos y ecosistemas) para averi-guar cómo ha evolucionado la biosfera terrestre con el planeta,cuáles son los límites para la vida en función del medio ambientecircundante y la posible existencia de análogos de estas condicionesen otros lugares del universo.

Se trata, asimismo, de establecer lo que puede considerarse co-mo la “firma” de la vida en la Tierra (los denominados “biotrazado-res”) y su reconocimiento, para confirmar si hay -o hubo algunavez- vida en otros lugares del Sistema Solar, como por ejemplo Mar-te o Europa (una de las lunas de Júpiter).

Los astrobiólogos comenzaron a estudiar entornos terrestrescon condiciones extremas en los que, a priori, se creía imposibleque la vida pudiera estar presente, pero que podían ser considera-dos como análogos a algunos lugares del Sistema Solar, como elplaneta Marte. Los microorganismos encontrados en estos entor-nos aparentemente hostiles, denominados extremófilos, han resul-tado ser más frecuentes de lo esperado, siendo capaces de vivir enambientes con altas temperaturas o presiones, o incluso en lugarescon altos niveles de acidez, salinidad o radiación. Las investigacio-nes sobre extremófilos están ampliando enormemente nuestracomprensión de la naturaleza y los límites de la vida.

¿Cómo buscar vida en otros lugares del universo?Desde un enfoque astrofísico, los astrobiólogos tratan de desentra-ñar la evolución química del universo estudiando la presencia demoléculas en el medio interestelar y circunestelar (los espacios apa-rentemente vacíos que hay entre estrellas y galaxias), y el contenidomolecular en regiones de formación estelar. El estudio de la quími-ca del universo, la astroquímica, pretende comprender la compleji-dad química observada en nuestro entorno estudiando cómo se for-man moléculas como el agua, el metano, el amoníaco, e incluso


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se transformen en microorganismos biológicos. Pero Mar-te no es el único objeto de estudio en nuestro vecindariosolar. En el marco de estas investigaciones, el estudio deTitán, la luna de Saturno, mediante la sonda Huygens, hapermitido acceder a un entorno prebiótico donde el papeldel agua lo realiza el metano. Y la posibilidad de explorarla luna Europa de Júpiter es un claro objetivo astrobioló-gico, dado que, bajo su espesa corteza de hielo, es posible,que haya una gran masa de agua líquida.

Desde un enfoque tecnológico, por último, las investi-gaciones astrobiológicas tratan de determinar qué tecno-logía, derivada de todos estos conocimientos, es necesariapara dotar a las misiones planetarias de sensores capacesde detectar potenciales formas de vida.

La vida como consecuencia de la evolución del universoDesde una perspectiva global, podemos decir que la astro-biología pretende encontrar la relación entre la creacióndel universo y la aparición de la vida en él. Su objetivo úl-timo es estudiar y comprender el fenómeno de la vida,considerándola como una parte integrante del universo.Pero, ¿es la vida un fenómeno fortuito o es la consecuen-cia de la evolución del universo? En otras palabras, ¿elsurgimiento de la vida en el universo es fruto del azar o dela necesidad?

Aunque no obtengamos nunca respuesta a esta pre-gunta, la astrobiología pretende fundamentar científica-mente la idea de que el fenómeno de la vida no constituyeun caso exclusivo de la Tierra, sino que la vida puede sur-gir en cualquier lugar del cosmos en el que se den las cir-cunstancias adecuadas. Si nos atenemos estrictamente alas leyes que rigen el universo, muchas de las circunstan-cias que posibilitaron la aparición de vida en la Tierrapueden haber ocurrido, pueden estar ocurriendo o podránocurrir en otros lugares. Es por ello que la exploración dedichas condiciones y la elaboración de modelos para ex-plicar la transición desde la química orgánica del universohasta la bioquímica de los seres vivos terrestres son lasclaves para dar con la ansiada respuesta. Z

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La astrobiología es laciencia que estudia elorigen, evolución ydistribución de la vidaen el universo.

moléculas prebióticas, enel medio interestelar.

También estudian laformación y evolución deestrellas y discos protopla-netarios, incluyendo la for-mación de sistemas plane-tarios y la búsqueda y caracterización de planetas extrasolarespotencialmente habitables.

Actualmente se conocen cerca de 600 planetas extrasolares y es-ta cifra no deja de crecer día tras día gracias a los avances tecnoló-gicos en materia de telescopios y de su instrumentación, así como alas novedosas técnicas de observación utilizadas. Gracias a ello, sehan llegado a obtener imágenes directas de planetas orbitando alre-dedor de la estrella central; y también, han permitido detectar lapresencia de dióxido de carbono en la atmósfera de algunos plane-tas extrasolares. Además, algunas misiones espaciales están dedica-das al descubrimiento y caracterización tanto de discos protoplane-tarios (Herschel), como de planetas extrasolares (Corot y Kepler).

A través del estudio de los sistemas planetarios podemos averi-guar las condiciones astronómicas y geofísicas que posibilitaronque la vida llegase a prosperar en la Tierra. Las investigaciones pre-tenden averiguar cómo los sistemas planetarios desarrollan y man-tienen las condiciones de habitabilidad necesarias para la existen-cia de vida. Se trata de establecer los rasgos morfológicos, químicosy espectroscópicos característicos de la vida -“biotrazadores”-, quepuedan ser identificados tanto en muestras in situ como en la ra-diación electromagnética procedente de planetas extrasolares.

En el campo de las ciencias planetarias, los astrobiólogos estu-dian la evolución y caracterización de ambientes habitables en elSistema Solar con el fin de comprender los procesos planetariossubyacentes que los originan. De este modo, se pretende establecerla historia de los planetas del Sistema Solar y la relación que existeentre la geología, la generación de atmósferas y la vida. Asimismo,se estudia la influencia del Sol joven en las atmósferas planetarias yla evolución de los climas en la Tierra. Esto incluye el estudio deambientes extremos y análogos de Marte en nuestro planeta (comoRíotinto en Huelva), así como la exploración in situ de otros cuer-pos del Sistema Solar, como es el caso del Planeta Rojo. El descu-brimiento de hielo en Marte, así como las evidencias halladas de laexistencia en el pasado de agua líquida en su superficie, aumentanla posibilidad de encontrar restos de agua líquida en el subsuelo.Hoy por hoy se considera que el agua líquida es un principio esen-cial necesario, aunque no suficiente, para la aparición de la vida,pues se trata del disolvente ideal para las reacciones bioquímicas yproporciona el caldo de cultivo para que las moléculas prebióticas

Montaje delexperimento deUrey y Miller en

el LaboratorioTransdisciplinar

del CAB.

Esquema delexperimento deUrey y Miller.

• Crédito: CAB • Crédito: Modificado de “Evolution” (Cold Springs HarborLaboratory Press, 2007).


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El proceso de desarrollo de un instrumento comienza cuando ungrupo de investigadores plantea un objetivo científico a resolver.En el caso de la misión Viking, el objetivo era responder a la pre-gunta: ¿existe vida en Marte?

El siguiente paso consiste en determinar el experimento o sen-sor que puede aportar la información necesaria para contestar esapregunta. Para la misión Viking se diseñaron una serie de experi-mentos enfocados a identificar una de las funcionalidades básicasde la vida: el metabolismo. La validez del concepto propuesto se de-muestra a través de ensayos de laboratorio y, posteriormente, se di-señan y fabrican una serie de instrumentos cada vez más sofistica-dos, capaces de soportar las condiciones extremas que se dan entoda misión espacial y de ejecutar de forma automática los experi-mentos diseñados.

Instrumentospara buscarvida en otrosmundos

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Reportaje

La Viking fue la primera misión espacialcon el objetivo de buscar vida fuera denuestro planeta.

Actualmente, el CAB está desarrollando un instrumento herede-ro de Viking. Se trata de un equipo que busca responder a la mismapregunta, pero a través de un método diferente. En nuestro caso, sepretenden identificar moléculas de origen biológico en una muestrade suelo marciano. Hay muchas técnicas de laboratorio utilizables,pero el CAB cuenta con un grupo de biólogos con una larga expe-riencia en una de ellas: las micromatrices de anticuerpos. Al igualque en la Viking, se formó un equipo de biólogos e ingenieros paraponer en marcha el proyecto. Se hizo un primer prototipo, con elque se demostró que el concepto era el adecuado y que era posiblela detección, a partir de una muestra de suelo, de moléculas orgáni-cas. A continuación se desarrolló un segundo prototipo, completa-mente automatizado, que fuese capaz de realizar los mismos ensa-yos del laboratorio, pero en el campo, bajo condiciones de polvo y

En julio de 1976 la nave Viking 1 alcanzó lasuperficie de Marte, constituyendo uno de loshitos más importantes de la exploraciónplanetaria. Ella y su nave gemela, la Viking 2,que llegó al planeta rojo dos meses después,transportaban un conjunto de instrumentosque fueron diseñados para recoger y enviar ala Tierra datos sobre la atmósfera y sobre lascaracterísticas mecánicas y magnéticas delsuelo con el objetivo de determinar si existíaalgún tipo de microorganismo en lasuperficie marciana. Hasta la fecha actual hasido uno de los pocos instrumentos enviadosal espacio con la misión de detectar vidafuera de nuestro planeta. Este proyecto fue posible gracias a lafructífera colaboración entre biólogos eingenieros, quienes han sido, probablemente,los precursores de los instrumentosdesarrollados con posterioridad para labúsqueda de vida.

Departamento de Instrumentación

• Créditos: NASA/JPL-Caltech

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temperaturas no controladas. El siguiente paso hasido preparar un modelo muy similar al que podríausarse en una misión de exploración planetaria paraprobarlo en condiciones ambientales adecuadas.

La exploración de MarteDespués de la misión Viking, debido quizá a unos re-sultados poco alentadores, la exploración planetariase paró totalmente y no fue hasta principios de losaños 90 cuando volvió a relanzarse con la misiónPathfinder. Después, se lanzó la pareja de vehículosde la misión Mars Exploration Rovers, que sigue ope-rando actualmente. Ambas misiones no estaban dotadas de unainstrumentación básica, puesto que su objetivo primario fue el de-sarrollo de tecnología.

En los próximos años habrá dos misiones que exploraránMarte in situ: el Mars Science Laboratory (MSL) de NASA y la na-ve ExoMars de la Agencia Espacial Europea (ESA). El CAB parti-cipa en ambas misiones contribuyendo con un instrumento encada una: la estación meteorológica REMS en el MSL y el espec-trómetro Raman en la ExoMars. El MSL es un proyecto dotadode una instrumentación mucho más sofisticada que la de sus pre-

decesores. Entre sus objetivos científicos se encuentra elestudio de la habitabilidad de Marte, y uno de los ele-mentos que contribuyen a determinar esa condición am-biental es su atmósfera. Conocer las condiciones de pre-sión, humedad, velocidad del viento, temperatura delaire y del suelo, radiación ultravioleta, etc., es clave paraverificar si se dan condiciones favorables para la exis-tencia de vida en Marte.

En este caso, el CAB ha desarrollado un instrumentodenominado REMS (Rover Environmental Monitoring Sta-


Imagen general del MSL. En la imagenpequeña se ve a un operario ajustando uno delos sensores del REMS en el mástil del MSL.


El MSL llevará a bordo elREMS, instrumentodesarrollado en el CAB ycuya misión es caracterizarla atmósfera marciana.


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tion) para medir estos parámetros. Forma parte del grupo de ins-trumentos que el MSL llevará a Marte y su objetivo científico es ca-racterizar la atmósfera marciana. El procedimiento de desarrolloha sido un poco diferente, puesto que las técnicas de medida enmeteorología son bien conocidas, por lo que el esfuerzo fundamen-tal en este caso ha sido su implementación a un instrumento si-guiendo unas severas restricciones en cuanto a peso, volumen yconsumo, así como a la necesidad de trabajar a temperaturas delorden de -150 ºC.

• El espectrómetro Raman de la nave ExoMars¿Se dan condiciones de habitabilidad en el subsuelo de Marte? Sa-bemos que en la superficie se dan condiciones bastante agresivaspara el desarrollo de microorganismos, fundamentalmente debidoa los niveles de radiación ultravioleta que llegan a la superficie delplaneta, pero unos centímetros por debajo estas condiciones cam-bian y, por tanto, es muy importante conocerlas.

En este caso la forma de abordar el desarrollo de un instrumen-to vuelve a ser diferente a los casos anteriores. Al tener un gran des-conocimiento del objetivo de exploración el primer paso es, preci-samente, tratar de remediar esa falta de información, para lo cuallo mejor es recoger la mayor cantidad posible de datos. Bajo estapremisa, y en colaboración con el grupo de geólogos del CAB, seplanteó la posibilidad de incluir en un instrumento el mayor núme-ro posible de las técnicas que se utilizan en su laboratorio. El resul-tado ha sido un primer prototipo que incluye una cámara de video,un sistema de toma de muestras líquidas y tres espectrómetros: in-frarrojo, ultravioleta y Raman. Este prototipo está en su fase deprueba en campo y ya ha viajado a la base española de la Antártiday al desierto de Atacama, donde ha recogido sus primeros datos.

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Los espectrómetros ultravioleta e infrarrojo ya se han utilizadoen diferentes misiones de exploración, pero hay un tipo de espec-trometría ampliamente utilizado en los laboratorios de geología yquímica que nunca ha formado parte de ninguna misión: la espec-trometría Raman.

Quizás la razón fundamental sea que, a diferencia de las prime-ras, que no requieren de ninguna fuente de excitación, en la espec-trometría Raman es necesaria la utilización de un láser, una tecno-logía con ciertos requisitos de estabilidad y consumo. Actualmente,los desarrollos tecnológicos permiten incorporar esta técnica en uninstrumento espacial, por lo que un espectrómetro Raman, lidera-do por un investigador de la Unidad Asociada al CAB de la Univer-sidad de Valladolid, forma ya parte de la instrumentación científicadel rover ExoMars de la ESA.

Cámaras de simulación y de caracterizaciónCámaras de simulaciónDesgraciadamente el coste de desarrollo de una misión a Marte, Jú-piter o Saturno es lo suficientemente elevado como para que no selleven a cabo con la periodicidad que le gustaría a la comunidadcientífica. Muestra de ello es que hoy en día es necesaria lo coope-ración de diferentes agencias espaciales para llevarlas a cabo. Porlo tanto, la única forma de entender los fenómenos que tienen lugaren los planetas es simularlos a pequeña escala en cámaras especial-mente diseñadas.

En la superficie de Marte o Tritón se dan temperaturas extre-madamente bajas y a ellas llega fundamentalmente la radiaciónemitida por el Sol. La cámara de que se dispone actualmente, deno-minada PASC, puede generar la composición de gases que se desee,al igual que unas condiciones de presión adecuadas. Igualmente se

Reportaje

Imagen artística del roverExoMars. En primer plano,imagen del espectrómetroRaman sobre el brazorobótico de prueba.

• Crédito:ESA•

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puede simular irradiación ultravioleta y de partículas de baja ener-gía. Esto permite simular fenómenos en la superficie marciana co-mo, por ejemplo, la posibilidad de existencia de agua líquida en de-terminadas mezclas de agua y sal, o estudiar las posibilidades quetiene una comunidad bacteriana de sobrevivir en una mezcla deminerales típica de la superficie de Marte, sometida a los ciclos ex-tremos de temperatura a los niveles de radiación ultravioleta que sedan en ella. Una de las ventajas de este tipo de instalación es la po-sibilidad de acoplar instrumentación de laboratorio para monitori-zar los cambios que se producen en la muestra de ensayo duranteel experimento. En nuestro caso, se dispone de un espectrómetroinfrarrojo que permite monitorizar los cambios mineralógicos.

Otra de las cámaras existentes, la HPPSC, es capaz de reprodu-cir las condiciones de alta presión generadas en la corteza de Euro-pa, la luna de Júpiter. Se supone que su interior es un gran océanode agua líquida cubierto por una corteza de hielo de varias decenasde kilómetros de espesor. Dentro de esa capa de hielo, y protegidosde la radiación ultravioleta por el propio hielo, pueden darse condi-ciones de habitabilidad que es necesario experimentar. En este ca-so, los procesos que se dan en la cámara de ensayos se monitorizana través de un espectrómetro Raman.

Las capacidades de simulación se pueden llevar más allá del es-tudio de los cuerpos del Sistema Solar y poder reproducir las con-diciones que imperan en el medio interestelar, que son fundamen-talmente: muy baja presión y altos niveles de radiación ultravioleta.Se ha construido una cámara, denominada ISAC, que reproduceestas condiciones, pero en este caso se utiliza un espectrómetro in-frarrojo, que permite seguir las transformaciones que se producenen las partículas que forman parte de los experimentos que se lle-van a cabo.Cámaras de caracterizaciónLa simulación de las condiciones planetarias también es necesariapara la calibración de los instrumentos que se van a utilizar en mi-siones de exploración. No se trata de verificar su capacidad de so-portar esas condiciones, sino de analizar los datos que toman encondiciones controladas y utilizarlos como referencias para los da-

tos que se tomen posteriormente en condiciones reales.En el caso de Marte, se han construido dos cámaras. Unade ellas, denominada MARTE, sirve para verificar el sen-sor ultravioleta del instrumento REMS, y comprobar lainfluencia que tiene en sus lecturas la existencia de polvoen el ambiente bajo diferentes condiciones de ilumina-ción. La otra cámara sirve para medir la capacidad delsensor de viento del mismo instrumento REMS en condi-ciones de baja presión y con una composición atmosféricalo más parecida a la del planeta.

Aunque recientemente se ha lanzado la misión Hers-chel, ya se está estudiando una de sus posibles sucesoras,el observatorio japonés SPICA, con un espectrómetro parael infrarrojo lejano diseñado en Europa. Uno de los ele-mentos críticos de esta misión, y que determinará sus ca-pacidades, son sus detectores de la radiación infrarroja,una radiación extremadamente débil. Estos detectores es-tán todavía en proceso de desarrollo y, por tanto, no estáncompletamente caracterizados.

La contribución del Departamento se realizará preci-samente en ese área, aumentando sus capacidades para elensayo de elementos superconductores, que tienen quetrabajar a temperaturas de un pocos de cientos de mili-Kelvin, muy cerca del cero absoluto. Z

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Cámara se simulación de la atmósfera de Marte, MARTE Mars Simulation Chamber.

Cámara de simulación de atmósferas y superficies planetarias,PASC (Planetary Atmospheres and Surfaces Chamber).

• Crédito: CAB• Crédito: CAB

Instrumentos para trabajar a escala molecularAdemás de la instrumentación para las misiones espaciales y para la simulación de ambientesplanetarios y espaciales, se ha desarrollado un equipo de laboratorio que por su singularidades necesario mencionar. Se trata de un conjunto de instrumentos que permiten trabajar a es-cala molecular y así poder analizar los fenómenos que suceden en la superficie de mineralesa ese nivel de resolución. Todos ellos tiene en común que deben trabajar en ultravacío y sonlos siguientes: espectrómetro de fotoemisión de rayos X, espectrómetro de fotoemisión deradiación ultravioleta, microscopio de efecto túnel, espectrómetro de electrones Auger y di-fractómetro de electrones de baja energía.

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Unos 20 minutos después del Big Bang eluniverso primitivo tenía una tabla de elementosquímicos muy corta: solo había cuatro o cincocasillas ocupadas por hidrógeno, helio, litio,berilio y quizás boro. Hoy, 13.700 millones deaños después, la tabla periódica es mucho másrica... ¿de dónde viene el silicio de la arena delos desiertos y las playas?, ¿y el hierro y el cobre,que cambiaron la historia de la humanidad?, ¿y eluranio, que alimenta las centrales nucleares?...Y desde el punto de vista de la Biología, ¿cómo ycuándo se formaron el carbono, el nitrógeno, eloxígeno, el azufre, el fósforo y todos loselementos químicos que componen los seresvivos?... Aunque parezca sorprendente, la vidaestá íntimamente ligada a los procesos físicosque ocurren en el interior de las estrellas.

Estrellas,Planetas y Vida

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Reportaje

Departamento de Astrofísica

Cuando el universo tenía una edad de aproximadamente 600 mi-llones de años tuvo lugar la primera generación de estrellas y co-menzaron a formarse las primeras galaxias. Esas estrellas eranmuy diferentes a las que conocemos ahora porque su composi-ción era muy simple, de hecho estaban compuestas fundamental-mente de hidrógeno. Las partes centrales de esos objetos primiti-vos eran inmensos hornos donde el hidrógeno se transformabaen helio, éste en carbono, oxígeno y nitrógeno... Cadenas de com-plejas reacciones nucleares de fusión hicieron que su composi-ción química fuera cambiando, haciéndose más y más variadacon la creación de nuevos elementos químicos. El final de la vida

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El telescopiorobótico del CABsituado en elObservatorioAstronómicoHispano-Alemánde Calar Alto(Almería) estádedicado alestudio deplanetasextrasolares.

de cada una de esas estrellas fue una tremenda explosión, una su-pernova, que arrojó al espacio interestelar gas enriquecido. Lasnubes de gas contaminado, mezcladas con otras de hidrógenoprimordial, dieron lugar a nuevas generaciones de estrellas; unade ellas es nuestro Sol, en cuyo proceso de formación, hace unos5.000 millones de años, se creó un sistema planetario en el que laTierra desplegó un abanico de condiciones adecuadas para quesurgiera la vida. Los elementos químicos que se formaron en loshornos estelares anteriores a que el Sistema Solar fuera siquieraun proyecto, son los que ahora componen todo lo que nos rodea,vivo e inerte.

¿Qué sabemos y qué no sabemos?Tenemos teorías y modelos más o menos detallados de có-mo se forman las estrellas y los sistemas planetarios, peroestamos muy lejos de haber resuelto esos problemas en sutotalidad. El conocimiento acumulado por las diversas ra-mas de la Astronomía es comparable a la percepción deun gran rompecabezas en el que muchas piezas están yacolocadas, pero donde hay todavía enormes huecos. El re-sultado final –el conocimiento del universo, sus leyes y suscomponentes– se puede a veces intuir, otras simplementeatisbar, y en otros casos estamos en la más profunda oscu-ridad. Podemos adivinar qué piezas faltan, pero ignora-mos sus detalles, colores y formas. Además, no podemosrelajarnos y estar ajenos a sorpresas que cambien lo queya creíamos bien establecido. Sabemos muchas cosas, pe-ro hay muchas más que desconocemos.

Sabemos cómo son las nubes interestelares, que estáncompuestas de gas en forma de átomos y de moléculas, yde polvo, que son muy frías, poco densas, (si las compara-mos con otros entornos); pero estamos lejos de completarel inventario de sus propiedades y componentes. Se handescubierto muchas moléculas en el medio interestelar,pero debido a las limitaciones de las observaciones, a laopacidad de las nubes, o a que no se ha podido acceder atodos los rangos relevantes del espectro electromagnético,hay aún muchas preguntas por contestar. El material másfrío, en forma de polvo, es también un elemento bastantedesconocido. La química del medio interestelar, modeladaen muchos casos por la radiación de las estrellas en su ve-cindad, también presenta muchas incógnitas.

Sabemos cómo se forman las estrellas, a partir decondensaciones en las nubes de gas interestelar causadaspor ondas de choque u otras inestabilidades. Sabemos quelas estrellas más frías y pequeñas forman un disco de gasy polvo a su alrededor, pero no sabemos si ese es un me-canismo universal, es decir, si las estrellas masivas tam-

Los elementos químicosque se formaron en loshornos estelaresanteriores a que elSistema Solar fuerasiquiera un proyecto,son los que ahoracomponen todo lo quenos rodea, vivo e inerte.

Curva de luz dela estrella TrES-3con un planeta entránsito obtenidacon el telescopiorobótico del CABdel Observatoriode Calar Alto(Almería).

• Crédito: CAB


bién siguen el mismo patrón de formación. Sabemos que la canti-dad de masa mínima para que un objeto pueda ser considerado“estrella” es el 8% de la masa del Sol, pero no sabemos cuál es lamasa máxima que puede alcanzar una estrella. Sabemos tambiénque existen objetos subestelares por debajo de esa masa mínima(las enanas marrones y los llamados “objetos aislados de masa pla-netaria”), pero tampoco estamos muy seguros de cómo se forman yde su abundancia comparada con la de otras estrellas.

Hemos observado directamente discos circunestelares de gas ypolvo alrededor de objetos jóvenes, pero no tenemos una teoría cla-ra que explique los procesos por los cuales el gas desaparece enunos pocos millones de años, y el polvo da lugar a objetos másgrandes, los planetesimales. La mayoría de esos objetos chocan en-tre sí y producen polvo reprocesado, mientras que unos pocos a ve-ces tienen éxito y sobreviven a esas condiciones, pudiendo conver-tirse en planetas: nuestro conocimiento de esos fenómenos estodavía embrionario. Hemos descubierto sistemas planetarios ex-trasolares, pero no sabemos exactamente cómo se forman. Inclusodesconocemos muchas cosas de nuestro propio Sistema Solar.

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El Departamento de Astrofísica del CAB aglutina a varios gru-pos de investigadores cuyo objetivo es colocar nuevas piezas en laparte del “rompecabezas cósmico” que forman todos esos procesosfísicos y químicos desconocidos. En este ejercicio los astrónomosse dan la mano con biólogos, bioquímicos, geólogos, científicosplanetarios y otros especialistas en una peculiar y apasionante ca-rrera donde el testigo va pasando de unas manos a otras para comprender cómo se formó la vida y en qué entornos, no necesa-riamente iguales al que rodeó la Tierra primitiva, puede aparecer ymantenerse. La meta es estar preparados para cuando se descubranpotenciales indicadores biológicos en algún planeta extrasolar. Seráentonces cuando la disciplina Astrobiología, que hoy tiene un signi-ficado algo ambiguo, cobre todo su sentido.

¿Qué hacemos en el Departamento de Astrofísica? El Departamento está organizado en cuatro líneas de investigación,que intentan cubrir, a veces con solapamientos inevitables, cadauna de las áreas que hemos descrito anteriomente. Las líneas tie-nen las siguientes denominaciones y contenidos:

• Medio interestelar y circunestelarEn esta línea se pretende realizar un estudioobservacional y teórico de la física y químicade las nubes moleculares del medio intereste-lar, tanto en las regiones más densas con for-mación estelar, como en las nubes translúcidasdel medio más difuso, sin olvidar las envoltu-ras circunestelares alrededor de estrellas evolu-cionadas. Otro de sus objetivos es la compren-sión de la química en discos protoplanetariosalrededor de estrellas jóvenes.

• Formación y evolución de las estrellasEl objetivo fundamental de esta línea es com-prender cómo se forman las estrellas y cómoevolucionan. En el marco de la Astrobiología,los procesos de formación estelar son intere-santes porque, además del nacimiento de la es-trella en sí, las envolturas protoestelares y losdiscos que se observan en torno a estrellas enformación son las “cunas” donde nacen losplanetas. Si conocemos bien los procesos deformación estelar, habremos abierto una víapara estudiar de una manera correcta y orien-

tada la formación de planetas. Por otro lado, la evolución de las es-trellas en sus últimas fases es importante porque, como ya hemos

Reportaje

16En esta composición de imágenes obtenida con el Telescopio Espacial Hubblese muestran 30 discos protoplanetarios recientemente descubiertos en laNebulosa de Orión.

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apuntado, en ellas se produce el enriquecimiento del medio interes-telar, donde nuevos brotes de estrellas surgirán a partir de materialprocesado.

• Objetos subestelares y sistemas planetariosEn esta línea se exploran regiones jóvenes de formación estelar yasociaciones de estrellas de la Galaxia para la detección directa

de enanas marrones y objetos aislados de masa planeta-ria, y de objetos en órbita en torno a cuerpos de mayormasa. Se aborda también el estudio y análisis de la evo-lución y las propiedades físico-químicas de las atmósfe-ras ultrafrías típicas de enanas marrones y planetas dedistintas edades y gravedades superficiales y el estudiode las propiedades de las estrellas que albergan planetasy sus interacciones con ellos. La búsqueda y detecciónde planetas rocosos en zonas de habitabilidad en torno aestrellas de la secuencia principal es uno de los hitosque la investigación en planetas extrasolares viene persi-guiendo en los últimos años: su descubrimiento es unpaso previo indispensable para intentar buscar en ellosindicadores biológicos.

• Física extragalácticaPara comprender cómo se originó la vida es preciso estu-diar la evolución del universo a gran escala, desde su naci-miento hasta la formación de los discos protoplanetarios,en los cuales se forman sistemas planetarios como elnuestro. Como ya hemos señalado, el gas primordial quese formó tras la Gran Explosión (el Big Bang), formadocasi en su totalidad por hidrógeno, dio lugar a sucesivas

Impresión artística de ALMA, con dos posibles disposiciones de antenas. En suconfiguración compacta (imagen pequeña) todas las antenas están confinadasen un radio de 250 m; mientras que la máxima separación de antenas será de16 km (imagen grande).

Para comprender cómose originó la vida espreciso estudiar laevolución del universo agran escala, desde sunacimiento hasta laformación de los discosprotoplanetarios.

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• Crédito: ESO

• Créditos: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)

El European Extremely Large Telescope (Telescopio europeo extremadamentegrande) será el mayor telescopio del mundo, con un espejo principalsegmentado de 40 m de diámetro.


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generaciones de estrellas que crearon en su interior todos los ele-mentos más pesados que conocemos. El estudio de los procesosque han determinado la formación y evolución de las galaxias esesencial para comprender el origen de las nubes moleculares, sudistribución, y las condiciones necesarias para que se hayan forma-do planetas similares a la Tierra en otros lugares del universo.

• El Observatorio VirtualEstas cuatro líneas se complementan con una línea de desarrollo, elObservatorio Virtual, que tiene como principal objetivo garantizarel acceso y el análisis rápido y eficiente de la información existenteen archivos astronómicos distribuidos por todo el mundo. Losgrandes centros de datos coordinados por agencias u organizacio-nes como NASA, ESA o ESO (Observatorio Europeo Austral), tra-bajan desde hace años en la adaptación de sus archivos a los están-dares marcados por el consorcio internacional de observatoriosvirtuales. La cantidad de información disponible en la actualidad estan enorme que sin el desarrollo de protocolos y herramientas espe-cíficas sería imposible una explotación eficiente de todos ellos.Imaginemos simplemente el inmenso esfuerzo que supone la com-paración de bases de datos que contengan decenas de millones deobjetos astronómicos, estableciendo criterios basados en brillos, co-lores, morfologías u otras propiedades observacionales o físicas.Otro ejemplo sería la comparación directa de observaciones en to-dos los rangos de longitudes de onda de un objeto astronómico da-do: una mínima experiencia demuestra que los métodos de reduc-ción, almacenamiento, e incluso las unidades físicas en las quecada comunidad (astrónomos de rayos X, ultravioleta, óptico, in-frarrojo, radio...) trabaja, son distintos. El Observatorio Virtual estáayudando no sólo a derribar esas barreras y a desarrollar herra-mientas de análisis, sino a hacer nueva ciencia.

¿Cómo trabajamos?Los astrónomos son científicos peculiares comparados con los deotras disciplinas. Salvo en unos poquísimos casos (básicamente losmeteoritos y las rocas lunares), por razones obvias sus objetos deestudio son inaccesibles: no pueden tocar muestras ni usar labora-torios. La luz es el único elemento que nos proporciona la informa-ción sobre el universo, y los telescopios y sus cada vez más sofisti-cados instrumentos, las herramientas que nos permiten captarla.

En comparación con los astrónomos de hace pocas décadas,hoy somos afortunados por poder observar el universo desde losrayos gamma, los fotones más energéticos, hasta las ondas de ra-dio. Cada rango de longitudes de onda ofrece información sobreun tipo particular de fenómenos o propiedades. En concreto, eluniverso frío materializado en las nubes interestelares se nos des-

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Reportaje

La superestructura metálica del GTCasomándose a través de la compuerta deobservación de la cúpula.

vela a través de las observaciones en radio y en el infrarrojo leja-no; los discos protoplanetarios los vemos además en el infrarrojopróximo y en el óptico. El universo más caliente muestra sus pro-piedades en longitudes de onda más cortas. En la actualidad esimpensable estudiar un objeto astronómico restringiéndose a unrango limitado de energías.

Las técnicas de observación que utilizamos van desde la másobvia, que es la imagen directa y que da una idea de la morfologíade los objetos, hasta otras más sofisticadas como la espectroscopia,que permite un análisis en detalle de propiedades como abundan-cias químicas, movimientos de rotación o con respecto a un siste-ma de referencia dado, campos magnéticos, o la fotometría, quecapta luz en determinadas bandas de color, proporcionando infor-mación acerca de la distribución de energía. La interferometría,que combina las observaciones de telescopios individuales, muchas


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(JWST), la puesta en funcionamiento del Atacama LargeMillimeter/Submillimeter Array (ALMA), y el proyecto delEuropean Extremely Large Telescope (E-ELT), auguran unaépoca realmente excitante de trabajo y descubrimientosen las disciplinas a las que se dedican los astrónomos delCAB. Afortunadamente, y esto es lo apasionante de nues-tra ciencia, el universo nunca dejará de sorprendernos. Z

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El futuro inmediato,con el lanzamientodel JWST, la puestaen funcionamiento deALMA y el proyectodel E-ELT, auguranuna época realmenteexcitante dedescubrimientos.

El JWST será el mayor telescopio en el espacio, con unespejo primario segmentado de 6,5 m de diámetro. Seubicará en un punto situado a una distancia de 1,5 millonesde km de la Tierra, en dirección opuesta al Sol.

• Crédito: P. Bonet/IAC

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veces situados a miles de kilómetros de distancia unos deotros, como sucede en ondas de radio, permite alcanzar ni-veles de detalle sorprendentes en objetos muy lejanos.

Las observaciones (y ahí la Astronomía ya se une a lametodología de otras disciplinas científicas) se contrastan con hi-pótesis, modelos teóricos y simulaciones a las que la informática,con sus dispositivos de almacenamiento masivo de datos cadavez más potentes y su capacidad de cálculo, ha dado un impulsoenorme.

El presente, con el Observatorio Espacial Infrarrojo Herschel enpleno funcionamiento y los grandes telescopios ópticos e infrarro-jos en tierra de la “generación de los 10 metros” (referiéndonos aldiámetro de sus espejos principales), entre los que se encuentra elGran Telescopio Canarias (GTC), y el futuro inmediato, con el lan-zamiento del observatorio infrarrojo James Webb Space Telescope

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Herschel cuenta actualmente con el mayor espejodesplegado nunca en el espacio, de 3,5 m de diámetro.

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Reportaje

La superficie de Marte vista desde la cámara del Mars ExplorationRover Spirit, uno de los dos rovers (el otro es el Opportunity) quela NASA tiene actualmente en el planeta rojo.

Departamento de Planetologíay Habitabilidad

¿Qué es la vida? Esta es una de las preguntas que el ser humano se ha hecho de forma recurrente a lo largo de lahistoria de la humanidad y para la que aún seguimos sin tener una respuesta directa. El famoso físico y premioNobel Erwin Schrödinger ya se preguntó sobre ello en una célebre serie de conferencias divulgativas impartidas enel Trinity College de Dublín en febrero de 1943, y que dieron como resultado la publicación, al año siguiente, dellibro “What is life?” que influyó decisivamente en la ciencia posterior. Para poder responder algún día a esta pregunta tendremos que haber conseguido entender los procesos quesubyacen a la biología en todos sus ambientes y su relación con el sustrato que la rodea en su hábitat.


Evolución de los planetasy sus atmósferas

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La interrelación que aparece entre la geología y la biología encualquier ambiente, ya sea caracterizado por un bajo pH o porelevadas temperaturas, ha sido fundamental en el desarrollo yevolución del proceso físico-químico que conocemos como vi-da. Pero, para emerger, la vida requiere de la aparición de cuer-pos planetarios que la soporten y alberguen. Por tanto, por ex-trapolación, podemos preguntarnos igualmente por el origen yevolución del único planeta que hasta ahora sabemos que al-berga vida o, de forma más genérica, por la formación y evolu-ción de planetas y sus atmósferas y su capacidad para albergarvida. Estas son algunas de las cuestiones clave de la Astrobiolo-gía y a las que intentamos dar respuesta en el Departamento dePlanetología y Habitabilidad. Iremos, a lo largo de este viaje,desgranando cada una de ellas, describiendo de forma más ex-

haustiva cada uno de los temasde trabajo que forman parte deeste Departamento.

El origen de la vidaSi ya nos es difícil describir quées la vida, el problema aumentacuando nos preguntamos por suorigen y por los rastros molecula-res que ha ido dejando en el re-gistro fósil a lo largo de la histo-ria del planeta Tierra. El estudiode la conservación de la materiaen el registro geológico podríaayudarnos de forma determinan-te a entender el origen de la vida.

¿Cómo fue este origen? ¿Quécaracterísticas tenía la Tierracuando se produjo la apariciónde este proceso físico-químicoque, además, iba a cambiar lascondiciones ambientales del pla-neta donde se originó?

Los fósiles, ya sea como ma-teria orgánica o como componen-tes de las paredes celulares debacterias, y los productos mine-rales a los que hubieran podidodar lugar en su transformación(carbonatos y sulfuros de hierro,

entre otros) se conservan, bajo determinadas circuns-tancias, en las rocas sedimentarias. Estos compuestosposeen patrones característicos de isótopos establescomo resultado de su origen biológico. Los isótoposestables constituyen un grupo de fósiles químicos cuyoestudio puede ayudar a discernir el origen y evoluciónde la vida temprana en la Tierra.

El estudio del origen y posterior evolución de la vi-da se complica desde el momento en que es el propioproceso de la vida el que altera las condiciones am-bientales del entorno donde se origina, modificandosu rastro y, en algunos casos, incluso haciéndolo desa-parecer. La aparición del oxígeno como producto me-tabólico, de gran toxicidad debido a su capacidad oxi-

• Créditos: ESA/NASA/JPL/University of Arizona

El estudio de laconservación de lamateria en el registrogeológico podríaayudarnos de formadeterminante a entenderel origen de la vida.

Imágenes de Titán, una de las lunasde Saturno, obtenidas por la sondaHuygens en su descenso hacia lasuperficie el día 14 de enero de2005. Las imágenes fueron tomadasa cinco alturas diferentes.


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dante, constituye un punto de inflexión en la historia del plane-ta Tierra y de la vida que alberga.

Si aún queremos complicar más esta historia científica po-demos preguntarnos por la posible presencia de vida en otroscuerpos planetarios. Sabemos que en algunos lugares del uni-verso se dan condiciones similares a las que debieron estar pre-sentes en la Tierra primigenia en el momento del origen de lavida, como por ejemplo en una de las lunas de Saturno, Titán,donde existen compuestos químicos y condiciones que podríanparecerse a las que reinaban en la Tierra primitiva.

Trataremos detenidamente cada uno de estos temas a lo lar-go de este viaje a las profundidades de la Planetología y la Ha-bitabilidad.

Río Tinto y los ambientes extremosLa presencia de ambientes extremos con una gran diversidadde formas de vida también supone un reto científico al que darexplicación. Desde hace tres décadas nuestro concepto de los lí-

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mites de la vida se ha visto modificado. Ahora, con las investi-gaciones que estamos haciendo en ambientes extremos, empe-zamos a vislumbrar los mecanismos que utiliza la vida paraadaptarse a distintos ambientes, a distintas circunstancias.

La sorpresa que supuso la gran diversidad microbiana en-contrada en el río Tinto fue sólo el comienzo de esta gran aven-tura que es la investigación en ambientes extremos dentro delDepartamento. Un río, de aproximadamente 100 km de longi-tud desde su nacimiento en la sierra de Aracena hasta su de-sembocadura en la ría de Huelva, con una media de pH en susaguas de 2,0 y de un intenso color rojo que le da nombre. Du-rante mucho tiempo se pensó que las características que ateso-ra este Río eran fruto de la contaminación debida a las minasde río Tinto, una explotación minera a cielo abierto que se si-túa en su origen, en los términos municipales de Minas de RíoTinto y Nerva.

Sus aguas poseen una concentración metálica muy alta.Así, la concentración de hierro puede alcanzar los 20 gramos

por litro, como ejemplo. En sus aguas en-contramos disueltos todos y cada unos delos elementos metálicos de la tabla perió-dica, incluyendo metales pesados. Estosmetales son muy tóxicos para la vida pe-ro, aún así, la diversidad encontrada ensus aguas es muy amplia. Nuestro viajepor los ambientes extremos pasa tambiénpor lagunas saladas como la de Tírez, unambiente hipersalino con elevada presiónosmótica para los organismos que en ellase desarrollan. Un desierto salino, ElChott El Jerid, situado al sur de Túnez,junto con el desierto de Atacama en Chi-le, son otros lugares de interés para en-tender las posibilidades de la vida en am-bientes con muy baja actividad de agua.

Otro parámetro que determina queun ambiente pueda ser extremo es la tem-peratura. Los ambientes fríos de los hie-los antárticos o de los suelos de perma-frost de Alaska o del Ártico son tambiénambientes donde podemos estudiar la ha-bitabilidad de lugares extraterrestres co-mo la luna Europa de Júpiter o algunoslugares del planeta Marte, donde las son-das de exploración de las agencias espa-

ciales han localizado regiones de permafrost. Otros ambientesextremos debidos a la temperatura son los hidrotermales que

Reportaje

• Crédito: CABImagen del río Tinto


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podemos encontrar en Islandia,donde los surgimientos deaguas calientes, conocidos co-mo géiseres, presentan diversi-dad microbiana adaptada a es-tas circunstancias. Cómo sumaquinaria celular se adapta aestas altas temperaturas o cómolos organismos acidófilos queencontramos en ambientes conbajo pH se adaptan a esa aci-dez, es uno de los retos con losque nos encontramos los cientí-ficos del Departamento. Otrosambientes que también se estánestudiando desde puntos de vis-ta geológico, mineralógico y geoquímico son los sistemas de mineralización hidrotermales yde metano en análogos terrestres como Jaroso, Islandia, Golfode Cádiz, Antártida o Canarias.

La Tierra: ambientes extremos y panspermiaAmbiente extremo por excelencia, tomando las condiciones ac-tuales que imperan en nuestro planeta como referencia, fue laTierra Primitiva. La formación, consolidación y enfriamientoprogresivo del planeta dieron lugar a un ambiente extremo, conaltas dosis de radiación procedente del espacio exterior y conun gran número de impactos de meteoritos. En este ambientecambiante fue donde se originó la vida que, a su vez, interac-cionando con el contexto geológico, consiguió establecerse yevolucionar, modificando este escenario.

La investigación de este ambiente no resulta fácil porqueno existe un análogo directo sobre el que trabajar. Las técnicasde estratigrafía y geoquímica de isótopos estables aplicadas so-bre rocas sedimentarias ayudan a los investigadores del Depar-tamento a expandir su conocimiento sobre la vida temprana enla Tierra. Estas mismas técnicas nos ayudan a investigar loseventos de impactos de meteoritos a lo largo de la historia delplaneta y sus efectos sobre la biología. En el Departamentoexiste un gran interés por los estudios de impactos de meteori-tos, la química asociada a estos eventos así como por la posibi-lidad de transferencia de formas de vida entre planetas. Así,por ejemplo, se simulan microimpactos sobre satélites de hielopara estudiar la química asociada mediante el uso de una téc-nica novedosa conocida como “ablación mediante láser pulsan-te”, que está siendo usada en el Departamento para ahondar enel conocimiento de estos procesos.

Fue el químico sueco Svante August Arrheniusquien, en 1908, usó la palabra panspermia para expli-car el comienzo de la vida en la Tierra. Esta teoría for-mula el origen de la vida en el planeta Tierra a travésde la inoculación de semillas de vida procedentes delespacio exterior transferidas por meteoritos. Algunosexperimentos recientes desarrollados en el Departa-mento dentro del proyecto Lithopanspermia -dedicadoa la evaluación de la resistencia de organismos a lascondiciones del espacio cercano a la Tierra en un su-puesto viaje interplanetario en el interior de meteori-tos- reportan la posible veracidad de la teoría al expo-ner microorganismos endolíticos (que viven en elinterior de rocas) a condiciones del espacio exteriorsin la protección de la atmósfera terrestre.

Las similitudes de Marte con la Tierra en su origendisparan las comparaciones en su potencial de habita-bilidad. En la actualidad varias misiones espaciales,tanto de la NASA como de la Agencia Espacial Euro-pea (ESA), estudian la superficie del planeta rojo. Al-gunos rasgos morfológicos de su superficie apuntan laposible existencia, al menos en el pasado, de agua lí-quida. Los famosos gullies o rasgos de escorrentía ca-tastrófica que se han identificado en algunos lugaresdel planeta, son signos inequívocos del desplazamien-to de un elemento líquido sobre su superficie, con elacuerdo entre especialistas de que, con gran probabili-dad, este elemento fue agua. La presencia de casquetespolares apunta hacia la existencia de un ciclo hídricoque incrementaría ese potencial de habitabilidad. La

Imagen de la Hellas Planitia deMarte obtenida por la sonda enórbita marciana MarsReconnaissance Orbiter (MRO)donde se aprecian numerososcanales (gullies) con anchurascomprendidas entre 1 y 10metros.

• Créditos: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona


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geología del planeta rojo también es punto de interés para va-rios científicos del Departamento.

A finales de 2011, como colofón a los estudios que se desa-rrollan en la actualidad en el Departamento, se lanzará la son-da de la NASA Mars Science Laboratory (MSL). Esta misiónbuscará rastros que pudieran reportar la presencia de vida ac-tual o pasada en el planeta rojo. Uno de los instrumentos queviajarán a Marte en el marco de esta misión es la estación me-teorológica REMS, que ha sido construida y liderada por cien-tíficos del CAB. Este instrumento medirá parámetros comotemperatura y humedad de la atmosfera, temperatura del suelode Marte, velocidad del viento y la radiación ultravioleta quellega a la superficie. Entre el equipo científico de la misión hayvarios miembros del Departamento. La dinámica y naturalezade la atmósfera, así como el potencial de habitabilidad de esteplaneta, se estudiarán a partir de los datos que aporte esta mi-sión espacial. Algunos experimentos desarrollados en cámarasde simulación avanzan resultados prometedores sobre la super-vivencia de ciertas bacterias en condiciones marcianas. El CABdispone de varias de estas cámaras que están siendo usadas pa-ra hacer simulación en condiciones marcianas así como paracalibrar los instrumentos que volarán a Marte en el marco de lamisión MSL.

Atmósferas planetariasHay muchas interrogantes acerca del origen y evolución de lasatmósferas de los planetas del Sistema Solar. Dos de los proce-sos fundamentales en el origen y evolución de las atmósferasde los planetas terrestres que no terminamos de entender y queeste departamento estudia, son el escape hidrodinámico de ga-ses atmosféricos y el papel del campo magnético de un planetay su interacción con el Sol o la estrella que circunda (planetas

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Reportaje

En la imagen de radar de la superficiede Titán, obtenida por la sonda Cassini,se aprecian lo que parecen ser lagos dehidrocarburos.

• Créditos: NASA/JPL

extrasolares) para mantener la atmósfera y contribuir a su ha-bitabilidad.

Otros aspectos a estudiar y que pueden determinar la capa-cidad para albergar vida de un planeta son: su tamaño, el tipode estrella que circunda, la cantidad de nitrógeno y carbonodisponibles en su atmósfera, la presencia de placas tectónicas,la probabilidad de impactos de meteoritos y cometas, y los fac-tores de estabilización de su órbita (por ejemplo, la presenciade satélites).

Así, de forma esquemática, las cuestiones más relevantesrelacionadas son las siguientes: la investigación de la presenciade metano (CH4) en Marte y su origen; el estudio de la presen-cia de agua bajo la superficie de Marte; la validación de las hi-pótesis acerca del origen de la vida en la Tierra; la validaciónde la hipótesis de la etapa de "Bola de nieve" de la Tierra; labúsqueda de solución a la "paradoja del Sol joven y débil"; elorigen y evolución de las columnas de agua en Encélado; laevolución de la presión atmosférica en los planetas en general yen la Tierra en particular; el papel de los meteoritos en la evo-lución atmosférica; la síntesis orgánica en Titán; y la investiga-ción de la habitabilidad y supervivencia en mundos como Ti-tán, Europa o Encélado.

Otro cuerpo celeste de nuestro sistema solar con gran po-tencial de habitabilidad y que merece mención aparte es la lu-na Europa de Júpiter. Esta luna está formada por un núcleo ro-coso silíceo rodeado por un líquido probablemente con altaconcentración en sales y por una corteza de hielo de grosor ynaturaleza desconocidos. La misión Galileo recogió datos queindicaban un campo magnético en el entorno de Europa coninteracción con el Joviano. Este hecho se interpretó como unindicativo de la presencia de un núcleo de hierro así como de laexistencia de un océano líquido de agua salada. Las caracterís-


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ticas más llamativas de la superficie de Europa sonunas bandas o vetas oscuras que aparecen a modo desurcos y que se entrecruzan por la superficie de estaluna. Son semejantes a los hielos marinos terrestres,con rasgos de desplazamiento en los bordes de las pla-cas que forman, lo que confirmaría la existencia de unocéano líquido en la sub-superficie que permitiría eldesplazamiento de estas placas en superficie.

En el Departamento también se estudia la produc-ción de moléculas complejas como aminoácidos o áci-dos carboxílicos sobre Europa. Estas característicasapuntan a Europa como el siguiente cuerpo celestecon potencial de habitabilidad que será estudiado porlas agencias espaciales en un futuro próximo. En la ac-tualidad ya se está diseñando una misión espacial paraestudiar el sistema Joviano con especial atención dedi-cada a la luna Europa. Z

Imagen de la luna de Júpiter Europa, obtenida por la sondaGalileo, donde se aprecia claramente su superficie helada y suestructura compleja. Las líneas muestran las zonas de fracturadel hielo en la superficie, lo que permite que aflore materialprocedente del interior (más oscuro en la imagen).

Emisiones gigantes de aguasurgiendo del interior de la luna deSaturno Encélado en una imagenobtenida por la sonda Cassini.

• Créditos: NASA/JPL/SSI; Mosaico: E. Lakdawalla

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La evolución molecular hace referencia a un enorme número deprocesos responsables de la aparición de una (bio)química com-pleja y, más adelante, a los mecanismos que han permitido hallarsoluciones a los retos ambientales con los que la vida se ha idoencontrando a lo largo de su historia. ¿Cómo fue posible que mo-léculas simples como el metano, el dióxido de carbono o el agua,entre otras, generaran las primeras biomoléculas? ¿Qué informa-ción nos proporcionan los virus actuales sobre la adaptación depoblaciones a ambientes cambiantes? ¿Cuál es el mecanismo quepermite a algunas bacterias sobrevivir en ríos extremadamenteácidos y ricos en metales pesados? ¿Qué huellas moleculares dejala vida y cómo podemos detectarlas? Éstas son algunas de lascuestiones a las que se enfrentan los distintos grupos de investi-gadores del Departamento de Evolución Molecular.

La chispa de la vidaHay un buen número de dificultades que jalonan el caminodesde la química inorgánica hasta la primera molécula capaz

Inicio e historiade la vida

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Reportaje

El viaje hacia la evolución molecular parte de lo inanimado. Laspropiedades físicas y químicas de la materia inerte dieronlugar a moléculas progresivamente más complejas que, enalgún momento temprano, cuando la Tierra aún era un planetajoven, desarrollaron por vez primera la capacidad de hacer co-pias de sí mismas, de autorreplicarse. Fue el primer paso deun gran viaje que ha explorado muchos caminos. La selecciónnatural es el artífice de la biodiversidad a través de un procesode prueba y error que ha desembocado en adaptaciones a losambientes más extremos. La vida es plástica y maleable, y porello ubicua. Pero esconde aún muchos secretos que desvelar.

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Departamento de Evolución Molecular

de autorreplicarse y, por tanto, capaz de competir con otrasformas análogas y evolucionar en el sentido darwiniano. Es eltodavía desconocido salto de lo inanimado a lo animado, lachispa de la vida.

Desde los años 50 del siglo XX se realizan experimentos desíntesis prebiótica en condiciones que reproducen la Tierra pri-mitiva. Desde entonces se han explorado distintas condiciones

Representación del ADN.

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donde la química pueda generar productos complejos, como sesabe que ocurre en la superficie de Titán. En los experimentos desíntesis prebiótica desarrollados en tales condiciones se produceuna gran cantidad de macromoléculas denominadas tolinas, ri-cas en nitrógeno y muy difíciles de caracterizar, que pudieron de-sempeñar un importante papel en la generación de una bioquími-ca primitiva.

Trabajamos para comprender cómo se forman los polímeros(grandes moléculas formadas por otras más pequeñas) como pa-so previo al estudio de moléculas capaces de almacenar informa-ción genética. Dentro de este tipo de moléculas, destacan los polí-meros de cianuro de hidrógeno (HCN) formados en soluciónacuosa, cuya naturaleza aún no se entiende del todo. Por otraparte, la producción de polímeros largos encuentra grandes difi-cultades cuando las moléculas que los constituyen alternan en suquiralidad.

La quiralidad es una propiedad que tienen algunas moléculasde idéntica composición atómica de existir bajo dos formas dife-rentes, siendo una de ellas la imagen especular de la otra (comosi la pusiésemos ante un espejo). Por tanto, al intentar superpo-nerlas no encajarían. Los aminoácidos poseen esta cualidad.Cuando se sintetizan, normalmente se genera igual cantidad demoléculas “diestras” (D) que “zurdas” (L), pero para obtener unpolímero largo y potencialmente funcional todas deben ser delmismo tipo. Los procesos que conducen a la separación de am-bos tipos, o a la generación preferente de una quiralidad frente aotra, se investigan tanto experimental como teóricamente, y yahemos identificando diversas situaciones en las que la segrega-ción de las dos formas quirales puede ocurrir de forma natural.

Por ejemplo, cuando las molé-culas se sitúan en la superficieque separa el agua del aire, laacción de un campo magnéticocomo el terrestre podría habercausado la agrupación selectivade formas D frente a formas L.Asimismo, cierto estado de de-sorden, inevitable por otra par-te en cualquier sistema natural,podría actuar también en elmismo sentido.

Las superficies de separa-ción entre dos materiales favo-recen las reacciones entre mo-léculas. Aparece así la metáforade la pizza primitiva (sustitu-yendo o al menos complemen-

tando a la conocida sopa primitiva), donde las reaccio-nes entre moléculas se dan con mayor probabilidad yeficiencia. En tales circunstancias se ha demostradoque se generan las bases nitrogenadas fundamentales:adenina (A), timina (T), citosina (C), guanina (G) y ura-cilo (U), los bloques básicos de las secuencias de ARN yADN. También se cree que en la polimerización delARN podría haber sido esencial la presencia de superfi-cies minerales que actuaran como catalizadores de lareacción.

De las moléculas complejas a la replicaciónDesde un mundo con moléculas grandes y complejasqueda un largo trecho antes de que la maquinaria dela selección natural se ponga en funcionamiento. Laconstrucción de un sistema metabólico complejo que,entre otras funciones, fuera capaz de replicar secuen-cias de ARN, pudo haber surgido gracias a la combina-ción de polímeros aleatorios de ARN que, aun sin po-der autorreplicarse, podrían haber dado lugar a lasprimeras moléculas con capacidad de polimerizar efi-cientemente.

El mundo de ARN se ha postulado como un posi-ble paso anterior al mundo de ADN y proteínas queconocemos en la actualidad. El ARN tiene la capaci-dad de almacenar información genética (tarea que enla actualidad lleva a cabo el ADN en todos los organis-mos, con la excepción de algunos virus) y de catalizarlas reacciones bioquímicas que sostienen el metabolis-

• Crédito: I. Dunn (biopolyverse.com)

Hay un buen número dedificultades que jalonanel camino desde laquímica inorgánica hastala primera moléculacapaz deautorreplicarse.

Ejemplo de molécula quiral.


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mo (lo cual es ahora, en su mayor parte, tarea de las proteínas).Es pues una cuestión fundamental establecer la capacidad fun-cional de moléculas simples de ARN y, una vez dotadas de lacapacidad de replicarse, estudiar su evolución. En el Departa-mento se realiza selección y evolución in vitro de aptámeros deARN (moléculas de ARN capaces de unirse a otras) y ribozimas(moléculas de ARN con la habilidad de promover reaccionesquímicas). Los estudios experimentales se complementan conanálisis computacionales de poblaciones de secuencias de ARNen situaciones análogas a las experimentales. Ambas aproxima-ciones están proporcionando nuevas claves sobre los mecanis-mos que podrían haber operado en el mundo de ARN, comopor ejemplo la forma en que podría emerger una molécula con

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capacidad de polimerización a partir depequeños polímeros generados al azar.

Una vez que las primeras moléculascon capacidad autorreplicativa fueronabundantes en el mundo prebiótico, la co-operación y la competencia entre molécu-las y la necesidad de adaptación a nuevosambientes llevaron sin duda a la apariciónde formas de organización más complejas.En este contexto, una de las grandes cues-tiones es cómo se produce la evolución y laadaptación a nivel molecular; y, por tanto,cómo afectan las inevitables mutaciones ala viabilidad de los organismos.

La vida imparableUna vez la replicación fue eficiente, la aparición de formas máscomplejas fue un proceso imparable. Numerosos hitos fueronsucediéndose en los millones de años siguientes: nuevos meta-bolismos en los microorganismos (como la fotosíntesis oxigéni-ca), la aparición de la célula eucariota y, poco después de losseres pluricelulares, la diferenciación en sexos y la coloniza-ción final de prácticamente todos los ambientes terrestres, delagua al aire, de los volcanes submarinos a los hielos, de los ríosácidos al subsuelo profundo. Las claves para desvelar la evolu-ción molecular detrás de estas adaptaciones las encontramosen modelos sencillos.

Un sistema que nos permite estudiar la evolución in vitro entiempos cortos son los virus de ARN, gracias a que forman gran-des poblaciones, se replican rápidamente y sufren frecuentes mu-taciones. En el Departamento se trabaja con el fago Q, un virusque infecta bacterias y es, por tanto, inocuo para los animales(nosotros entre ellos). Se puede estudiar con relativa facilidad suadaptación a distintas situaciones ambientales y su respuesta aluso de sustancias mutagénicas que aumentan los errores en lacopia de su genoma. A pesar de que esta terapia se ha usado enocasiones para causar la extinción de la infectividad viral, hemosdescubierto que un aumento en la tasa de mutación también pue-de tener un efecto beneficioso, ya que la generación de mutantes(nuevas propuestas evolutivas, al fin y al cabo) puede promoverla adaptación a nuevos ambientes.

Junto con los virus, los microorganismos son los campeones dela adaptación. Las formas en que logran sobrevivir en ambientes

Reportaje

• Crédito: CAB

En la imagen, selección de plantas deArabidopsis thaliana en tierra conbasta (herbicida). Estas plantas hansido "transformadas" con un gen deresistencia al níquel procedente demicroorganismos hallados en el suelode río Tinto.

Imagen obtenida conmicroscopio electrónicode transferencia dondeaparecen ejemplares deBacillus subtilis. Sonvisibles los flagelosperítricos, que salen delos lados del bacilo y nodel ápice.

• Crédito: CAB


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que tradicionalmente se habían considerado inhóspitos son conoci-das en una mínima parte, así como las complejas relaciones quehan establecido con el medio físico. Se está dedicando un gran es-fuerzo a la caracterización de sus metabolismos y a la forma en queestán organizados, ya que este conocimiento es clave para desentra-ñar los mecanismos evolutivos que lo han consentido.

El 99% de las bacterias presentes en una muestra ambientalno puede ser cultivado en el laboratorio. Debido a ello, es habi-tual el uso de organismos tipo, representantes de toda una cla-se, que son estudiados y explorados desde todos los puntos devista. Lo habitual es que de ellos se obtenga información sobremuchos otros seres vivos con los cuales comparten historiaevolutiva y, por tanto, información genética.

La bacteria Leptospirilum ferrooxidans habita en las aguasácidas y ricas en hierro del río Tinto. Su fascinante genoma es-

tá cediendo al empeño por descubrirlo de los investi-gadores del Departamento que lo estudian, revelando,por ejemplo, su capacidad para desarrollar un metabo-lismo aeróbico (consumiendo oxígeno para obtenerenergía) o para formar, en otras condiciones, biopelí-culas, dentro de las cuales funciona el llamado quo-rum sensing: el intercambio de señales químicas entrelas bacterias capaz de inducir comportamientos colec-tivos en la población. Hemos estudiado la expresióngénica de esta bacteria en su medio natural y hemoscomprobado que se trata de un microorganismo “mul-ti-extremófilo”, ya que contiene los mecanismos mole-culares para sobrevivir en un medio extremadamenteácido, con una alta concentración de metales y someti-do a un fuerte estrés oxidativo.

En primer plano, imagen de laLeptospirillum ferrooxidans. De fondo,imagen de río Tinto (Huelva, España).

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En el Departamento tenemos un gran interés por co-nocer los mecanismos de interacción entre diferentes or-ganismos que forman verdaderos consorcios para su su-pervivencia. Un caso particular es la interacción entremicroorganismos y plantas, que proporciona a éstas nue-vas capacidades de adaptación a condiciones adversas.Nuestras plantas modelo son Arabidopsis thaliana y Ericaandevalensis, cuya resistencia al níquel (ya sea usando va-riedades naturales o transgénicas) está siendo analizada.La formación de colonias y estructuras multicelulares mi-crobianas en las que se distinguen formas y fisiologías ca-racterísticas constituyen modelos interesantes para estu-diar el comportamiento multicelular. Bacillus subtilistambién es un buen modelo para estudiar mecanismos dequorum sensing, si bien es interesante además por su ca-pacidad para incorporar en su genoma ADN ambiental,lo cual mejora su capacidad de supervivencia. De hecho,el intercambio de genes entre microorganismos es unaforma habitual de adquirir nuevas habilidades y adaptar-se a otros ambientes. Este proceso, denominado transfe-rencia génica horizontal, es la forma en la que la biología,desde sus inicios, ha originado organismos transgénicos.

Diversidad en ambientes naturales: genomas ymetagenomasA pesar de la dificultad para cultivar muchos micro-organismos en el laboratorio, el desarrollo en añosrecientes de nuevas técnicas de análisis permiteidentificar la práctica totalidad de genomas bacte-rianos presentes en una muestra ambiental. La se-cuenciación de los genes escogidos y en ocasionesde genomas completos (como en el caso de L. ferro-oxidans) se lleva a cabo en una unidad específica delDepartamento. Una vez las secuencias están dispo-nibles, deben ser analizadas y comparadas con se-cuencias conocidas de dominio público.

Los expertos en bioinformática ensamblan yanotan los genomas procedentes de la secuencia-ción y, combinado con los datos proporcionados pormicroarrays de ADN y otras técnicas, reconstruyen yanalizan redes metabólicas o la expresión de ciertos genes enfunción del medio físico. La comparación entre genes o entre lasproteínas que estos expresan aporta información sobre la estruc-tura de estas últimas y permite predecir su función en muchoscasos. El análisis masivo del contenido genómico de muestrasambientales proporciona el llamado metagenoma del medio estu-diado, es decir, el conjunto de los genomas que caracterizan a los

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Reportaje Un microarray con 5.000fragmentos de ADN delgenoma de una bacteriaextremófila, Leptospirillumferrooxidans. Cada punto delmicroarray contiene decenasde miles de moléculasiguales de un trocito delgenoma, y que corresponde auno o varios genes. Estosmicroarrays se emplean paraestudiar qué genes estánfuncionando preferentementeen dos condicionesambientales distintas. El coloramarillo indica que el gen ogenes allí presentes estánfuncionando en las doscondiciones por igual,mientras que el verde o elrojo indican que predominanen una u otra condición. Deesta forma es posibleidentificar funcionesmetabólicasimplicadas en resistencia yadaptación a factoresambientales como la extremaacidez, alcalinidad, salinidad,temperatura, etc.

Un microarray con 200 anticuerpos diferentes frente a especies microbianas,proteínas, extractos bioquímicos naturales, etc. Cada punto contiene hasta unmillón de moléculas de anticuerpo capaz de reconocer el antígeno frente alcual fue creado. Tras incubar y revelar con un cóctel de anticuerposfluorescentes, los puntos brillantes (rojo) indican que el antígeno (bacteria,proteína, alergeno, etc.) está presente en la muestra testada. La intensidad dela señal puede ser cuantificada y representada en forma de histogramas.

• Crédito: CAB

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organismos presentes en el ambiente. Así es posible identificargenes concretos implicados, por ejemplo, en la resistencia a me-tales como el zinc, el níquel o el arsénico. Estos genes pueden seraislados y transferidos a otros organismos, que incorporan así lacapacidad de sobrevivir en ambientes extremos o contaminados.

Estudios metagenómicos en colaboración con la Universidadde Alicante han permitido asimismo analizar el metaviroma delambiente extremo (por su alto contenido en sal) de la salina deSanta Pola. El estudio de los virus que infectan organismos extre-mófilos está en sus inicios: si el conocimiento de las bacterias yarqueas que colonizan ambientes extremos no deja de sorpren-dernos, en igual medida lo hará el de los virus que a sus metabo-lismos extremófilos se han adaptado.

Estudio de los biomarcadoresEl Departamento desarrolla varias estrategias encaminadas a ladetección de biomarcadores. Los biomarcadores son huellasque los organismos dejan en el ambiente como resultado de suactividad biológica. Pueden ser fósiles, donde las partes bioló-gicas han sido sustituidas por minerales, o tejidos o moléculasque se han conservado de manera excepcional. Incluso las acu-mulaciones de minerales debido a la actividad metabólica ha-blan de la biología del pasado. También en el presente se puede

detectar la actividad de comunidades biológicas a tra-vés de biomarcadores. El estudio de biomarcadorespasados y presentes es de gran relevancia cuando nosplanteamos la detección de vida fuera de la Tierra, unode los objetivos de la Astrobiología.

El estudio de los biomarcadores tiene por objetivo ca-racterizar muestras de formaciones geológicas de distin-tas edades en la Tierra, estudiar el clima en el pasado odetectar una posible actividad biológica que haya desem-bocado, por ejemplo, en la acumulación de depósitos mi-nerales. En el Departamento también se diseñan biosen-sores capaces de reaccionar directamente conbiomoléculas presentes en los organismos actuales. Entreellos contamos con distintos microarrays de ADN, así co-mo con sondas de PNA (Peptide Nucleic Acid –ácido nu-cleico peptídico- un polímero sintetizado artificalmenteen los años 90 del S. XX y análogo a los ácidos nucleicosADN y ARN). Por último, disponemos de biosensores in-munológicos, utilizados en exploración planetaria para elanálisis de muestras in situ. El instrumento SOLID3(Signs Of Life Detector), incorpora microarrays de anticuer-pos y una tecnología sofisticada capaz de analizar mues-tras ambientales de forma automática. Z

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Hace varios años se inició en el CAB el desarrollo de SOLID (Signs Of LIfeDetector). Se trata de un proyecto multitransdisciplinar donde biólogos, geólogos,químicos e ingenieros han concentrado sus esfuerzos con un objetivo común: eldesarrollo de instrumentación para la exploración planetaria.

SOLID es un instrumento robotizado que permite la detección de biomarcadores(moléculas orgánicas y macromóleculas de origen biológico) de muestras sólidaso líquidas. En SOLID se extrae la materia orgánica de la muestra, se pone encontacto con los anticuerpos y al final se toma una imagen que muestra losresultados del análisis. En cada análisis se pueden detectar simultáneamentecientos de moléculas diferentes.

Actualmente existen dos prototipos de campo, el SOLID2, de 15 kg de peso; y elSOLID3, de 6,5 kg. Ambos han sido ya probados con éxito en varias campañasdesarrolladas en río Tinto (Huelva, España), en el desierto de Atacama (Chile) y enla Antártida.

La parte esencial del detector es el biochip LDCHIP (Life Detector CHIP), que utilizamicroarrays de anticuerpos. El SOLID2 disponía inicialmente del LDCHIP200, con200 anticuerpos. El SOLID3 dispone ya del biochip LDCHIP400.

El estudio de este tipo de muestras mediante campañas in situ es fundamentalpara entender cómo se preservan las moléculas procedentes de losmicroorganismos que viven en esas condiciones tan extremas y ayudan a entendero evaluar la posibilidad de procesos similares en otros lugares del Sistema Solar.

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