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El caldo primigenio en un modelo computacional

Christian Coria
10/jun/2015

Pocos pensarían que el origen de la vida, el gran campo magnético de Júpiter, y el principio de Arquímedes tienen algo en común con una olla de presión. Y sin embargo, así es. Los tres casos responden a un mismo proceso que ha sido modelado recientemente y por primera vez por investigadores mexicanos.

Rubén Santamaría, del Instituto de Física de la UNAM, en colaboración con el polaco Ludwik Adamowicz de la Universidad de Arizona y Hortensia Rosas-Acevedo de la Facultad de Estudios Superiores Zaragoza de la UNAM, se dieron a la tarea de construir un modelo para simular el comportamiento de los componentes que están dentro de una olla de presión.

En su artículo “Microscopic pressure-cooker model for studying molecules in confinement” publicado el 17 de noviembre de 2014 en la revista Molecular Physics, Santamaría y su equipo describen un modelo para el confinamiento de moléculas, así como las expresiones para determinar la temperatura, presión y volumen del sistema.

El origen de la vida y la olla de presión

La primera prueba de que se pueden formar espontáneamente moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas simples se llevó a cabo en 1952 por los científicos estadounidenses Stanley Miller y Harold Clayton Urey en la Universidad de Chicago.

El experimento de Miller y Urey fue clave para apoyar la teoría del caldo primigenio(o prebiótico) propuesto por el ruso Aleksander Oparin en 1924 y es una de las hipótesis centrales sobre la creación de la vida.

Se basa principalmente en reproducir en un lugar hermético las condiciones que se dieron en la tierra hace millones de años, junto con el caldo primigenio usando los elementos en las proporciones en las que se encontraban entonces y rayos ultravioleta. El resultado fue la generación de estructuras simples que conforman a las proteínas, base de las criaturas vivas.

En el caso de la olla, al ser un recipiente hermético en contacto con un baño térmico, podemos imponer presiones mucho más altas que la atmosférica, simultáneamente considerando los efectos de temperatura. Por ejemplo, bajo los efectos de presión, la ebullición del agua se da por encima de los 100°C. Así la temperatura más alta hace que los alimentos se cocinen más rápido.

Lo que Santamaría y sus colaboradores hicieron fue una olla de presión a nivel molecular, “en esencia lo que nuestras ecuaciones hacen es describir este proceso, pero considerando interacciones de la física cuántica entre partículas, y limitando el modelo a sistemas moleculares”, comenta el investigador.

¿Qué tiene que ver eso con el origen de la vida? Para que se pudiera formar lo que hoy es la base de todo ser viviente, fue necesaria una recombinación de compuestos, es decir, los compuestos existentes en el caldo prebiótico rompieron sus enlaces atómicos para formar nuevos enlaces dando lugar a nuevos compuestos.

El rompimiento entre enlaces se dio a partir de la radiación, hace millones de años y se simuló en el experimento de Miller–Urey. En el modelo de Rubén Santamaría, el rompimiento es gracias a la combinación de varios efectos, los de presión, temperatura y radiación en los compuestos que se encuentran en la olla.

El modelo a la mexicana

Así, con un modelo de “olla de presión” Santamaría y sus colaboradores derivaron las ecuaciones apropiadas que describen los movimientos de las moléculas en un sistema confinado bajo presión y temperatura.

Para esto, Santamaría consideró un grupo de moléculas de agua, amoniaco y metano confinados en una jaula tipo fullereno formada por 180 átomos de helio. Los átomos de helio, en contacto con el baño térmico, transmiten energía a las moléculas enjauladas también sujetas a presión.

De esta manera, la energía de las moléculas confinadas aumenta proporcionalmente a la energía que le es transferida desde los átomos de la jaula. Un aumento en el volumen de la jaula puede reducir la presión, mientras que el grado de enfriamiento de la jaula y de las moléculas confinadas es controlado aplicando una función de distribución.

El medio importa

Para describir el movimiento de las partículas los investigadores propusieron un Lagrangiano de tipo Zwanzig-Langevin, es decir: una expresión a partir de la cual se puede obtener la evolución temporal del sistema.

“Contrario a otros modelos propuestos, el presente incluye una representación del medio que rodea al sistema de partículas confinadas” afirman en el artículo.

La representación del medio que rodea al sistema confinado es posible gracias a la inclusión directa de un contenedor donde se toma en cuenta su estructura, forma y rigidez.

Para el fluido que rodea al contenedor se toma en cuenta su viscosidad y temperatura, todos ellos descritos en términos de mecánica clásica y mecánica estadística.

Es decir, el modelo no se limita a describir el comportamiento del sistema confinado sino también su interacción con el medio que lo rodea haciéndolo, por tanto, diferente a otros modelos existentes.

Sin radiación, no hay nada… ¿o sí?

Como en la teoría del caldo primigenio y en el experimento de Miller-Urey es necesaria la radiación para dar origen a nuevos compuestos, Santamaría y su equipo decidieron incluir radiación en su modelo.

Así pues, las simulaciones mostraron que en el caso de los componentes prebióticos, el rompimiento de los enlaces a través de los efectos de la temperatura y radiación es esporádico y que, al aplicar presión alta, los enlaces rotos pueden ser inmediatamente restaurados.

Según las simulaciones de Santamaría y su equipo, la mayor causa de rompimiento de enlaces es la radiación ionizante. Esta es una radiación energética que extrae algunos de los electrones y fomenta la recombinación de átomos.

“En conclusión, es la radiación la que juega un papel preponderante en la formación de nuevos componentes” afirma el investigador.

“Sin embargo, algunos resultados preliminares, donde se introdujeron moléculas de sulfuro de hidrógeno en la sopa prebiótica, conducen a resultados diferentes”, concluye.

Por tanto, los investigadores planean hacer trabajos futuros en los que van a involucrar cambios de densidad, o un diferente número de moléculas confinadas, así como otras moléculas de diferente composición química, además de metales catalizadores.

La simulación de la teoría del caldo primigenio es una de las aplicaciones del modelo desarrollado por los investigadores, pero no es la única.

El campo magnético de Júpiter

Júpiter posee el campo magnético más grande del sistema solar, esto incluye al sol. Hasta el momento no se conoce la razón exacta de esto pues “a nivel de Astronomía no se puede ver el interior del planeta” comenta Santamaría.

“Nuestras simulaciones con altas presiones nos permiten inferir la existencia de cúmulos de hidrógenos que se auto-ensamblan dentro de Júpiter” comenta también.

En su modelo, Santamaría y su equipo pudieron constatar que al someter cúmulos de hidrógeno a efectos de presión y temperatura, éstos se vuelven metálicos, lo que quiere decir que pueden portar carga eléctrica. Estos cúmulos metálicos en movimiento de convección producen un campo magnético.

Si esto es lo que ocurre en el interior de Júpiter es posible considerar que el gigantesco campo magnético que posee se debe a los efectos de presión y temperatura de los cúmulos de hidrógeno que contiene.

El principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes dice: un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja.

De acuerdo con ésto, si tenemos una pelota y la sumergimos en una alberca, la pelota será impulsada hacia arriba.

Algo tan simple como esto, que la pelota salga volando, no se puede predecir con los modelos computacionales moleculares precedentes al de la olla de presión. Pero con el modelo de Santamaría esto es posible.

Para este caso el contenedor u olla de presión se muta a una pelota, pues haciendo ajustes en las ecuaciones el contenedor puede tomar la forma y composición que se desee; el interior de la olla no tuvo compuestos, y quedó vacío, mientras que el baño térmico que rodeaba al contenedor fue sustituido por un fluido: agua.

Así, mediante este modelo modificado, las ecuaciones predicen que la pelota sale “volando” tal como sucede en la vida real.

“El modelo molecular es consistente con el principio de Arquímedes”, comenta el investigador y “lo que esperamos ahora es que nuestras ecuaciones y técnicas sean implementadas en otros paquetes de computo” concluye.

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