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ENTREVISTA: JAVIER GMEZ-ELVIRA I ASTROBIOLOGA: UNIVERSO Y VIDA I DEPARTAMENTOS DEL CAB

La aventura de la vida

Revista de Astrobiologa. N.1 - 2011

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La pregunta Hay vida en otros lugares del Universo? tena, hasta hace poco,nicamente implicaciones filosficas. Pero actualmente se est empezando aabordar desde otros campos de la Ciencia. Precisamente, la Astrobiologa aglutinatodos los esfuerzos dirigidos a encontrar su respuesta, tratando de entender cmoson 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 laAstrobiologa es fabuloso y, embarcarse en esa misin, es realmente una aventura:la aventura de la vida.

La divulgacin es una obligacin que tiene la comunidad cientfica y tecnolgicacon la sociedad: esta es una frase que, desgraciadamente, todava no ha calado losuficiente en nuestra comunidad. Quizs el problema est en nuestra formacin:nadie nos ha enseado a hacerlo y muchos no sabemos cmo se hace, peronuestra obligacin es intentarlo, porque es realmente una obligacin para con la

sociedad.

No cabe duda de que la divulgacin en Astrobiologa es muy atractiva para el granpblico por el inters del tema que aborda y porque su multidisciplinariedad atraea curiosos de muchas reas.

Desde su creacin, de la mano de Juan Prez-Mercader, el Centro de Astrobiologa(INTA-CSIC) ha considerado la divulgacin como una de sus actividades bsicas:esta revista es un intento ms en esa direccin. Con ella, no slo se quiereinformar a la sociedad de sus actividades ms relevantes, sino que pretende ser un

imn para atraer hacia la ciencia y la tecnologa a todo aquel que sientacuriosidad y quiera satisfacerla.

D. Jaime Denis Zambrana

Director General del Instituto Nacional de Tcnica Aeroespacial (INTA)

2Presentacin

3Divulgacin en el CAB / Staff

4Entrevista con el Director del CAB

6Astrobiologa: Universo y Vida

10Instrumentos para buscar vidaen otros mundos

14Estrellas, Planetas y Vida

20Evolucin de los planetas y sus

atmsferas

26Historia e inicio de la vida

32Contraportada

Presentacin Contenidos

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staff

El Centro de Astrobiologa (CAB) es un centro mixto de investigacin perteneciente al Ins-tituto Nacional de Tcnica Aeroespacial (INTA) y al Consejo Superior de InvestigacionesCientficas (CSIC). El CAB se cre con el objetivo de proporcionar un verdadero ambien-te cientfico de tipo transdisciplinar para el desarrollo de la Astrobiologa, que aglutina di-

versas disciplinas cientficas para estudiar el origen, evolucin y distribucin de la vida enel Universo. Actualmente, ms de 300 investigadores y tcnicos desarrollan en el CAB di-ferentes proyectos cientficos tanto nacionales como internacionales.Dado el gran inters social de las cuestiones relacionadas con la Astrobiologa, entre losobjetivos del CAB se hallan, en particular: Asegurar la transferencia de conocimiento entre diferentes disciplinas as como con el

sector industrial. Formar a una nueva generacin de astrobilogos.

Fomentar la extensin de la cultura cientfica en nuestro pas.

La Unidad de Cultura Cientfica del CAB (UCC-CAB), dependiente de la Direccin del Cen-

tro, posibilita la interrelacin entre los investigadores y el pblico en general, de modo quela Astrobiologa sea una ciencia al alcance de la ciudadana. Los objetivos generales de laUCC-CAB son potenciar la divulgacin de los avances cientficos en el campo de la Astro-biologa, optimizar las vas de comunicacin internas y externas con las que cuenta el CABy posibilitar una interaccin fluida entre la comunidad investigadora del CAB y el gran p-blico.A travs de estas amplias lneas de accin se pretende potenciar la funcin social de la in-

vestigacin y la difusin del conocimiento, haciendo as del CAB un Centro dinmico yen estrecho contacto con la sociedad y con los medios de comunicacin, haciendo accesi-bles las investigaciones y desarrollos tecnolgicos ms novedosos y los descubrimientos

ms recientes a la sociedad.El CAB ha trabajado desde su creacin en el fomento de la cultura cientfica orientada ha-cia estos pilares, integrando en la UCC-CAB todas las actuaciones y polticas que tuvieranrelacin con la difusin del conocimiento, las relaciones pblicas, la comunicacin insti-tucional, el trabajo y la imagen del Centro.La edicin de Zo - Revista de Astrobiologa es un ejemplo del compromiso del CAB paraseguir trabajando en la visibilidad social de la ciencia y la tecnologa en general, y de la As-trobiologa en particular. Se pretende que esta publicacin sirva de vehculo para llevar allector el esfuerzo y resultado investigador, estimulando su curiosidad e inters por la Cien-

cia y aumentando la valoracin social de la investigacin que se realiza en el CAB, comoun elemento estratgico para el desarrollo social, cultural y econmico de la sociedad.

DIRECTORLuis Cuesta Crespo, Responsable de la UCC-CAB.

COORDINACIN EDITORIALNatalia Ruiz Zelmanovitch y Juan ngel Vaquerizo Gallego,

UCC-CAB.

CONSEJO EDITORIALJavier Gme z-Elvira, Director del CAB.Jos Cernicha ro, Vicedirector del CAB.Miguel Mas Hesse,Jefe del Depa rtamento de Astrofsica.

Jos Antonio Rodrguez M anfredi, Jefe del Dep artamento d eInstrumentacin.Ricardo Amils Pibernat,Jefe del Depa rtamento dePlanetologa y Habitabilidad.Vctor Parro,Jefe del Dep artamento d e Evolucin M olecular.

DISEOVicente Aparisi, Proyecto Grfico y Direccin de Arte.

IMPRESINImprenta Nacional del Boletn Oficial del Estado.

Depsito Legal:

NIPO: 078-11-003-6NIPO en lnea: 078-11-004-1

Centro de Astrobiologa (INTA-CSIC)Carretera de Ajalvir, km 428850 Torrejn de Ardoz (Madrid)http://cab.inta-csic.es

E-mail: divulgacion@cab.inta-csic.es

Zo Revista de Astrobiologa es una publicacintrimestra l del Cen tro de As trobiolog a (INTA-CSIC) .

Zo Revista de Astrobiologa no se hace responsablede las opiniones de los autores de los artculos.

Se autoriza la difusin de los contenidos de estapublicacin previo permiso.

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La divulgacin en

el Centro de Astrobiologa

CAB.INTA-CSIC.ES

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Cmo y cundo nace el Centro de Astrobiologa?

En julio de 1997 se cre elNASA Astrobiology Institu-

te (NAI), con sede en elNASA Ames Research Center,con el objetivo de fomentar los estudios astrobiolgi-cos a travs de la financiacin de grupos de investiga-cin. En octubre de ese mismo ao, el NAI abri la pri-mera convocatoria de proyectos. Uno de los gruposque present un proyecto de investigacin estaba for-mado por cientficos espaoles y americanos, lidera-dos por el Profesor Juan Prez-Mercader. En 1998 fue-ron seleccionados los primeros once equipos

investigadores, entre los que se encontraba la propuestaespaola. Como la normativa que regula la investiga-cin en la NASA impide la subvencin a institucionesque no sean estadounidenses, hubo que buscar una so-lucin alternativa que permitiera albergar en el NAI alos investigadores espaoles. As, en 1999 se crea elCentro de Astrobiologa (CAB) como un centro de in-

vestigacin asociado al NAI.La diferencia fundamental entre el CAB y el resto de

los grupos de investigacin pertenecientes al NAI es-t en que el CAB est involucrado en los aspectos cien-tficos pero no en los administrativos, puesto que, co-mo deca antes, no recibe ningn tipo de financiacinpor parte de NASA.

Qu preguntas pretende responder la investiga-cin astrobiolgica?La Astrobiologa es una disciplina relativamente nue-

va que trata de estudiar el origen y evolucin de la vi-da en el universo. Si fusemos capaces de rebobinar lapelcula de la vida en nuestro planeta, podramos ob-servar cmo unos microorganismos que se formaronhace alrededor de 4.000 millones de aos han ido evo-lucionando junto con el planeta, agrupndose en or-ganismos multicelulares y aumentado su complejidadhasta lmites insospechados; elHomo Sapiens es unode los mejores ejemplos. Todo este proceso no hubie-se podido tener lugar si la Tierra no contase con unas

condiciones especialmente adecuadas de temperatu-ra, presencia de agua lquida, proteccin frente a la ra-diacin exterior, actividad geolgica, etc., todos elloselementos necesarios para que esos primeros micro-organismos pudieran evolucionar.

Pero la Astrobiologa trata no solo de encontrar el ori-

gen de la vida, sino tambin de estudiar su evolucin.En los primeros millones de aos tras la formacin dela Tierra se produjo un proceso, an sin aclarar, en elque aparecieron los primeros replicadores: comple-

jas factoras bioqumicas capaces de autorreplicarse.Los replicadores representan la culminacin del pro-ceso de interaccin entre todo el repertorio de ele-mentos qumicos y molculas presentes en nuestro pla-neta en sus primeros miles de aos.Previamente, esas molculas y elementos qumicos

constituyen, a su vez, el ltimo paso del proceso de for-macin del Sistema Solar. Nuestro sistema planeta-rio est formado por un conjunto de planetas rocososy gaseosos, en el que la Tierra ocupa la posicin ade-cuada respecto al Sol para que se den las condicionesde temperatura, radiacin y actividad geolgica, as co-mo las necesarias para la existencia de agua, que per-mitan la aparicin y evolucin de la vida.Y remontndonos todava ms 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 qumicas 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 Astrobiologa. Es un camino del que actual-mente se conocen algunos tramos, de otros se sabe queno llevan en la direccin deseada y otros se descono-cen por completo.

Desde cuantos campos diferentes de la Ciencia seaborda la Astrobiologa?Para encontrar el camino que mencionaba antes se ne-cesitan aportaciones procedentes de campos muy di-

versos: la astrofsica, la biologa, la geologa, la fsica yla qumica son algunas de las ramas de la ciencia in-

volucradas. La ingeniera tambin juega un importan-

te papel, puesto que la participacin en misiones es-paciales es uno de los recursos bsicos de losastrobilogos.La investigacin en el Centro de Astrobiologa estorganizada en cuatro Departamentos: Astrofsica,

Javier Gmez-ElviraDirector del Centro de Astrobiologa

Personajes

Nacido en Madrid, cursaestudios de Ingeniera

Aeronutica en la UniversidadPolitcnica de Madrid (UPM),

alcanzando el grado de DoctorIngeniero Aeronutico en 1991.

Su carrera profesional ha estadosiempre ligada al Instituto

Nacional de TcnicaAeroespacial (INTA), primero enel Departamento de Materialesy Estructuras, y despus, en elCentro de Astrobiologa (CAB).

En diciembre de 2001 esnombrado Vicedirector y jefe del

Departamento deInstrumentacin del CAB. Desde

octubre de 2010 es Director enfunciones del Centro.

Su carrera profesional estligada fundamentalmente al

mundo del espacio. Haparticipado en el desarrollo de

antenas, mecanismos einstrumentos para satlites decomunicaciones y en proyectosaeronuticos relacionados con

la certificacin.Ya en el CAB, ha liderado eldiseo de prototipos para laexploracin del ro Tinto y el

desarrollo de instrumentos paraexploracin espacial. Desde

2008 es el Investigador

Principal del RoverEnvironmental Monitoring

Station(REMS). Esteinstrumento, el primero

ntegramente desarrollado yconstruido en Espaa que

viajar a otro planeta, es unaestacin medioambiental que

ir a bordo del rover Curiosityde la NASA, que ser enviado a

Marte a finales de 2011.Est en posesin de la Cruz al

Mrito Aeronutico.

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Evolucin Molecular, Planetologa y Habitabilidad,e Instrumentacin. En el Departamento de Astrof-sica se estudia el medio interestelar y circunestelar,la formacin y evolucin de galaxias, la formaciny evolucin de estrellas, los objetos subestelares ylos sistemas planetarios, adems de disponer delObservatorio Virtual para facilitar el uso de los da-tos obtenidos por las misiones espaciales. En el De-partamento de Evolucin Molecular se estudia laqumica prebitica, la evolucin molecular y los me-canismos moleculares de adaptacin biolgica. En

el Departamento de Planetologa y Habitabilidad seestudia la evolucin de los planetas y sus atmsfe-ras, y los ambientes extremos que existen en la Tie-rra. En el Departamento de Instrumentacin se di-sean instrumentos para exploracin tanto in situcomo remota, adems de dar apoyo de ingenieraal desarrollo de instrumentos para misiones espa-ciales. En esta ltima lnea hay que poner de relie-

ve el esfuerzo que se ha hecho en la construccin

de cmaras de simulacin para reproducir los pro-cesos geoqumicos y geobiolgicos que se puedendar fuera de nuestro planeta. Hay una ltima lneade trabajo que cubre varios Departamentos y queest enfocada al estudio de biomarcardores, con ele-mentos nicos de demostracin de la existencia de

vida. Z

La astrofsica,la biologa, lageologa, lafsica y laqumica sonalgunas de lasramas de laciencia

involucradas enlos estudiosastrobiolgicos.La ingenieratambin juegaun importantepapel, con eldiseo ydesarrollo demisionesespaciales.

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No cabe duda de que existe vida en el

universo pues todos los seres vivosque habitamos la Tierra somos pruebade ello. Sin embargo, por el momento,somos el nico ejemplo de vida que se

conoce. A la luz de esta evidencia, lainvestigacin biolgica ha permitido

ampliar enormemente nuestroconocimiento sobre la vida y los seres

vivos terrestres, pero quedan anmuchos e importantes interrogantes

por responder. Para empezar,desconocemos en qu consiste

exactamente el concepto de estarvivo. Tampoco tenemos respuestas

para determinar cmo apareci la vida

en la Tierra, ni para explicar cmoevoluciona y se desarrolla. Siampliamos la perspectiva, no sabemostodava si hay vida en otros lugares del

universo y, en caso de haberla, cmopodramos detectarla. Para terminar,an no hay respuesta al interrogantede cul es el futuro de la vida en la

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

astrobiologa.

Astrobiologa:

Universoy VidaN1_2011

Reportaje

Crdito: CAB

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Recreacin de la evolucindel universo y la vida en laTierra desde el Big Banghasta la actualidad.

La definicin ms aceptada actualmente de astrobiologa es la deciencia que estudia el origen, evolucin y distribucin de la vida en

el universo. Una definicin tan amplia como esta da una idea de losmltiples y variados objetivos de los estudios astrobiolgicos, queaglutinan aspectos fundamentales de un gran nmero de discipli-nas cientficas tan dispares a primera vista como la astrofsica, lasciencias planetarias y atmosfricas, la geologa, la qumica, la biolo-ga molecular y la biologa evolutiva. Los diferentes puntos de vistay aproximaciones que aporta cada una de esas disciplinas se sola-pan entre s, haciendo que la astrobiologa sea, por tanto, multidis-ciplinar.

Las investigaciones astrobiolgicas involucran a bilogos, qu-micos, astrofsicos, gelogos, matemticos e ingenieros. Todos ellostrabajan coordinadamente para contribuir a un mayor entendi-miento de los procesos y condiciones que llevaron a la aparicin dela vida en el universo.

Origen y evolucin de la vidaDado que la Tierra es el nico lugar donde sabemos queexiste vida, sus caractersticas nos proporcionan un pa-trn para rastrear su posible existencia en otros lugaresdel universo. La bsqueda de vida fuera de nuestro plane-ta comienza, paradjicamente, en la Tierra. Desde un en-foque biolgico, los astrobilogos se interesan por las for-mas tempranas de vida, realizan un seguimiento de suevolucin en la Tierra y tratan de definir los lmites parasu supervivencia.

Para saber cmo surge la vida en la Tierra se debedesentraar el proceso de organizacin de la materiahasta llegar a la aparicin de los seres vivos. Una de las

primeras teoras propuestas sobre el origen de la vidafue la de la Generacin Espontnea, ya defendida porAristteles, segn la cual la vida se creaba a partir demateria inerte. Esta teora tambin se denomin Abio-gnesis, en oposicin a la Biognesis que sita el origende los seres vivos en otros seres vivos. Esta teora fue fi-nalmente refutada por el qumico francs Louis Pasteuren la segunda mitad el S. XIX. En la actualidad, la tran-sicin de materia inerte a organismos vivos es explorada

desde dos enfoques: de abajo-arriba y de arriba-abajo.El objetivo es comprender cmo se produce el paso dela qumica a la biologa.

En el enfoque de abajo-arriba (es decir, del pasado alpresente) la vida se origina a partir de materia inanimadaen un proceso de evolucin qumica. El resultado se deno-mina sntesis prebitica, trmino utilizado por el bioqu-mico ruso Alexander Oparin en su trabajo pionero de1924. Posteriormente, el genetista britnico John Haldanepropuso el mismo proceso, de manera independiente: el

origen abitico de los primeros organismos vivos por unproceso de evolucin qumica que tuvo lugar en los oca-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 gentico de los organismos actualespara deducir las caractersticas de organismos ancestra-

les. Adems, se estudian las huellas que dejan de forma di-recta los organismos biolgicos -sus restos-, o indirecta-en el entorno, y a travs de su actividad vital- en el regis-tro fsil, para localizar y datar las formas de vida ms an-tiguas en nuestro planeta.

En los aos 80 del S. XXlas investigacionesgenticas permitierondemostrar que todos losseres vivos conocidosprovienen de un nicoancestro comn.

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Sabemos que la Tierra se form, junto con el Sol y el resto delSistema Solar, hace unos 4.500 millones de aos. Se han encontra-do restos fsiles de actividad biolgica (biomarcadores) en rocascon una antigedad de hasta 3.500 millones de aos, por lo que la

vida podra haber surgido en la Tierra hace entre 3.800 y 4.000 mi-llones de aos.

En los aos 80 del S. XX estas investigaciones demostraron quetodos los seres vivos provienen de un nico ancestro comn. Esteorganismo se conoce como LUCA, del inglsLast Universal Com-mon Ancestoro ltimo ancestro comn universal; y es la base delrbol genealgico de todos los organismos que pueblan, o hanpoblado en el pasado, la Tierra. Es la base del rbol de la vida. Sa-bemos que vivi hace ms de 3.500 millones de aos y que era un

microorganismo que ya llevaba a cabo, aunque de forma rudimen-taria o incipiente, los mecanismos bsicos de todo sistema vivo:separacin del entorno circundante, metabolismo (obtencin deenerga libre por parte de un organismo) y autorreplicacin. Las in-

vestigaciones actuales tratan de averiguar el proceso desde la evolu-cin molecular hasta nuestro ancestro comn, es decir, la bsquedase centra en la conexin entre la qumica prebitica y el primer or-ganismo vivo.

El experimento de Urey y Miller sirvi para demostrar que la

formacin de las primeras biomolculas simples pudo tener lugarbajo las condiciones de la Tierra primitiva y como resultado dereacciones qumicas sencillas. Sin embargo, en la actualidad se sa-be que la eficiencia de la sntesis prebitica est ntimamente ligadaa la composicin de la atmsfera primitiva de la Tierra, que todavano se conoce con exactitud.

A partir de los modelos de evolucin estelar se sabe que, en lapoca de la Tierra primitiva, el Sol emita aproximadamente un 70%de la energa actual y la temperatura media de la Tierra estaba pordebajo del punto de congelacin del agua. Sin embargo, como he-

mos comentado anteriormente, hay constancia de la existencia deocanos y de vida desde hace aproximadamente 3.800 millones deaos. Esta paradoja del Sol dbil se resuelve suponiendo una at-msfera con una concentracin de dixido de carbono mayor que laprevista. Este dixido de carbono procedera tanto de las emanacio-nes gaseosas procedentes de la actividad volcnica, como de la des-gasificacin de meteoritos y cometas que impactaron contra el pla-neta. Como resultado de ello, se producira en la Tierra primitiva unefecto invernadero ms pronunciado, reteniendo el calor del Sol y

dando lugar a las condiciones necesarias para la sntesis prebitica.Debido a las incertidumbres sobre las condiciones reinantes en

la atmsfera de la Tierra primitiva, se plante la posibilidad de quela sntesis prebitica tuviera lugar en lugares ms propicios en eluniverso, como el espacio exterior, y posteriormente las biomolcu-

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Reportaje

las fueran transportadas a travs de cometas y meteoritos hasta laTierra. Esta hiptesis se conoce como Panspermia (del griegopan,en todas partes, ysperma, semilla) o, a veces tambin, Litopansper-mia (del griego litos, piedra). El hallazgo en 1969 de aminocidosidnticos a los obtenidos en el experimento de Urey y Miller en elmeteorito Murchinson hallado en Australia vino a apoyar esta idea.La hiptesis de la Panspermia fue enunciada por primera vez porel bilogo alemn Hermann Ritcher en 1865. Pero fue a comienzosdel S. XX cuando el qumico sueco Svante Arrhenius us el trminoPanspermia para explicar que el origen de la vida en la Tierra se ha-llaba en el espacio exterior, tal y como ya plante el filsofo griegoAnaxgoras en el S. V a.C.

Los lmites de la vidaLos astrobilogos estudian la evolucin de la vida (tanto a nivelmolecular como a nivel de organismos y ecosistemas) para averi-guar cmo ha evolucionado la biosfera terrestre con el planeta,cules son los lmites para la vida en funcin del medio ambientecircundante y la posible existencia de anlogos 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 Jpiter).

Los astrobilogos comenzaron a estudiar entornos terrestrescon condiciones extremas en los que, a priori, se crea imposibleque la vida pudiera estar presente, pero que podan ser considera-dos como anlogos a algunos lugares del Sistema Solar, como elplaneta Marte. Los microorganismos encontrados en estos entor-nos aparentemente hostiles, denominados extremfilos, han resul-tado ser ms frecuentes de lo esperado, siendo capaces de vivir en

ambientes con altas temperaturas o presiones, o incluso en lugarescon altos niveles de acidez, salinidad o radiacin. Las investigacio-nes sobre extremfilos estn ampliando enormemente nuestracomprensin de la naturaleza y los lmites de la vida.

Cmo buscar vida en otros lugares del universo?Desde un enfoque astrofsico, los astrobilogos tratan de desentra-ar la evolucin qumica del universo estudiando la presencia demolculas en el medio interestelar y circunestelar (los espacios apa-

rentemente vacos que hay entre estrellas y galaxias), y el contenidomolecular en regiones de formacin estelar. El estudio de la qumi-ca del universo, la astroqumica, pretende comprender la compleji-dad qumica observada en nuestro entorno estudiando cmo se for-man molculas como el agua, el metano, el amonaco, e incluso

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se transformen en microorganismos biolgicos. Pero Mar-te no es el nico objeto de estudio en nuestro vecindariosolar. En el marco de estas investigaciones, el estudio deTitn, la luna de Saturno, mediante la sondaHuygens, hapermitido acceder a un entorno prebitico donde el papeldel agua lo realiza el metano. Y la posibilidad de explorar

la luna Europa de Jpiter es un claro objetivo astrobiol-gico, dado que, bajo su espesa corteza de hielo, es posible,que haya una gran masa de agua lquida.

Desde un enfoque tecnolgico, por ltimo, las investi-gaciones astrobiolgicas tratan de determinar qu tecno-loga, 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 evolucin del universoDesde una perspectiva global, podemos decir que la astro-biologa pretende encontrar la relacin entre la creacindel universo y la aparicin de la vida en l. Su objetivo l-timo es estudiar y comprender el fenmeno de la vida,considerndola como una parte integrante del universo.Pero, es la vida un fenmeno fortuito o es la consecuen-cia de la evolucin 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 astrobiologa pretende fundamentar cientfica-mente la idea de que el fenmeno 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 aparicin de vida en la Tierrapueden haber ocurrido, pueden estar ocurriendo o podrn

ocurrir en otros lugares. Es por ello que la exploracin dedichas condiciones y la elaboracin de modelos para ex-plicar la transicin desde la qumica orgnica del universohasta la bioqumica de los seres vivos terrestres son lasclaves para dar con la ansiada respuesta. Z

Para

saberms:

Gene

racinEspontnea-Abiognesis-Bio

gnesis-SntesisPrebitica-

Parad

ojadelSoldbil-Panspermia-Litopanspermia-Extremfilos-LUCA-

biotrazador-discosprotoplanetarios-plan

etasextrasolares

La astrobiologa es laciencia que estudia elorigen, evolucin ydistribucin de la vidaen el universo.

molculas prebiticas, enel medio interestelar.

Tambin estudian laformacin y evolucin deestrellas y discos protopla-netarios, incluyendo la for-macin de sistemas plane-tarios y la bsqueda y caracterizacin de planetas extrasolarespotencialmente habitables.

Actualmente se conocen cerca de 600 planetas extrasolares y es-ta cifra no deja de crecer da tras da gracias a los avances tecnol-gicos en materia de telescopios y de su instrumentacin, as como alas novedosas tcnicas de observacin utilizadas. Gracias a ello, se

han llegado a obtener imgenes directas de planetas orbitando alre-dedor de la estrella central; y tambin, han permitido detectar lapresencia de dixido de carbono en la atmsfera de algunos plane-tas extrasolares. Adems, algunas misiones espaciales estn dedica-das al descubrimiento y caracterizacin tanto de discos protoplane-tarios (Herschel), como de planetas extrasolares (Corot yKepler).

A travs del estudio de los sistemas planetarios podemos averi-guar las condiciones astronmicas y geofsicas que posibilitaronque la vida llegase a prosperar en la Tierra. Las investigaciones pre-

tenden averiguar cmo los sistemas planetarios desarrollan y man-tienen las condiciones de habitabilidad necesarias para la existen-cia de vida. Se trata de establecer los rasgos morfolgicos, qumicosy espectroscpicos caractersticos de la vida -biotrazadores-, quepuedan ser identificados tanto en muestras in situ como en la ra-diacin electromagntica procedente de planetas extrasolares.

En el campo de las ciencias planetarias, los astrobilogos estu-dian la evolucin y caracterizacin de ambientes habitables en elSistema Solar con el fin de comprender los procesos planetariossubyacentes que los originan. De este modo, se pretende establecer

la historia de los planetas del Sistema Solar y la relacin que existeentre la geologa, la generacin de atmsferas y la vida. Asimismo,se estudia la influencia del Sol joven en las atmsferas planetarias yla evolucin de los climas en la Tierra. Esto incluye el estudio deambientes extremos y anlogos de Marte en nuestro planeta (comoRotinto en Huelva), as como la exploracin in situ de otros cuer-pos del Sistema Solar, como es el caso del Planeta Rojo. El descu-brimiento de hielo en Marte, as como las evidencias halladas de laexistencia en el pasado de agua lquida en su superficie, aumentan

la posibilidad de encontrar restos de agua lquida en el subsuelo.Hoy por hoy se considera que el agua lquida es un principio esen-cial necesario, aunque no suficiente, para la aparicin de la vida,pues se trata del disolvente ideal para las reacciones bioqumicas yproporciona el caldo de cultivo para que las molculas prebiticas

Montaje delexperimento deUrey y Miller en

el Laboratorio

Transdisciplinardel CAB.

Esquema delexperimento de

Urey y Miller.

Crdito: CAB Crdito: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 cientfico a resolver.En el caso de la misin 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 informacin necesaria para contestar esapregunta. Para la misin Viking se disearon una serie de experi-mentos enfocados a identificar una de las funcionalidades bsicasde la vida: el metabolismo. La validez del concepto propuesto se de-

muestra a travs de ensayos de laboratorio y, posteriormente, se di-sean y fabrican una serie de instrumentos cada vez ms sofistica-dos, capaces de soportar las condiciones extremas que se dan entoda misin espacial y de ejecutar de forma automtica los experi-mentos diseados.

Instrumentos

para buscarvida en otrosmundos

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Reportaje

La Vikingfue la primera misin espacial

con el objetivo de buscar vida fuera denuestro planeta.

Actualmente, el CAB est desarrollando un instrumento herede-ro de Viking. Se trata de un equipo que busca responder a la mismapregunta, pero a travs de un mtodo diferente. En nuestro caso, sepretenden identificar molculas de origen biolgico en una muestrade suelo marciano. Hay muchas tcnicas de laboratorio utilizables,pero el CAB cuenta con un grupo de bilogos con una larga expe-riencia en una de ellas: las micromatrices de anticuerpos. Al igualque en la Viking, se form un equipo de bilogos e ingenieros paraponer en marcha el proyecto. Se hizo un primer prototipo, con el

que se demostr que el concepto era el adecuado y que era posiblela deteccin, a partir de una muestra de suelo, de molculas orgni-cas. A continuacin se desarroll 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 1alcanz lasuperficie de Marte, constituyendo uno de loshitos ms importantes de la exploracinplanetaria. Ella y su nave gemela, la Viking 2,que lleg al planeta rojo dos meses despus,transportaban un conjunto de instrumentosque fueron diseados para recoger y enviar ala Tierra datos sobre la atmsfera y sobre las

caractersticas mecnicas y magnticas delsuelo con el objetivo de determinar si existaalgn tipo de microorganismo en lasuperficie marciana. Hasta la fecha actual hasido uno de los pocos instrumentos enviadosal espacio con la misin de detectar vidafuera de nuestro planeta.Este proyecto fue posible gracias a la

fructfera colaboracin entre bilogos eingenieros, quienes han sido, probablemente,los precursores de los instrumentosdesarrollados con posterioridad para labsqueda de vida.

Departamento de Instrumentacin

Crditos: NASA/JPL-Caltech

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temperaturas no controladas. El siguiente paso hasido preparar un modelo muy similar al que podrausarse en una misin de exploracin planetaria paraprobarlo en condiciones ambientales adecuadas.

La exploracin de MarteDespus de la misin Viking, debido quiz a unos re-sultados poco alentadores, la exploracin planetaria

se par totalmente y no fue hasta principios de losaos 90 cuando volvi a relanzarse con la misinPathfinder. Despus, se lanz la pareja de vehculosde la misin Mars Exploration Rovers, que sigue ope-rando actualmente. Ambas misiones no estaban dotadas de unainstrumentacin bsica, puesto que su objetivo primario fue el de-sarrollo de tecnologa.

En los prximos aos habr dos misiones que explorarnMarte in situ: el Mars Science Laboratory (MSL) de NASA y la na-

veExoMars de la Agencia Espacial Europea (ESA). El CAB parti-cipa en ambas misiones contribuyendo con un instrumento encada una: la estacin meteorolgica REMS en el MSL y el espec-trmetro Raman en laExoMars. El MSL es un proyecto dotadode una instrumentacin mucho ms sofisticada que la de sus pre-

decesores. Entre sus objetivos cientficos se encuentra elestudio de la habitabilidad de Marte, y uno de los ele-mentos que contribuyen a determinar esa condicin am-biental es su atmsfera. Conocer las condiciones de pre-sin, humedad, velocidad del viento, temperatura del

aire y del suelo, radiacin 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-

Crditos: NASA/JPL-Caltech

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

Crditos: NASA/JPL-Caltech

El MSL llevar a bordo elREMS, instrumentodesarrollado en el CAB ycuya misin es caracterizarla atmsfera marciana.

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tion) para medir estos parmetros. Forma parte del grupo de ins-

trumentos que el MSL llevar a Marte y su objetivo cientfico es ca-racterizar la atmsfera marciana. El procedimiento de desarrolloha sido un poco diferente, puesto que las tcnicas de medida enmeteorologa son bien conocidas, por lo que el esfuerzo fundamen-tal en este caso ha sido su implementacin a un instrumento si-

guiendo unas severas restricciones en cuanto a peso, volumen yconsumo, as como a la necesidad de trabajar a temperaturas delorden de -150 C.

El espectrmetro Raman de la nave ExoMarsSe 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 radiacin ultravioleta que llegan a la superficie delplaneta, pero unos centmetros 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 exploracin el primer paso es, preci-samente, tratar de remediar esa falta de informacin, para lo cuallo mejor es recoger la mayor cantidad posible de datos. Bajo estapremisa, y en colaboracin con el grupo de gelogos del CAB, seplante la posibilidad de incluir en un instrumento el mayor nme-ro posible de las tcnicas que se utilizan en su laboratorio. El resul-

tado ha sido un primer prototipo que incluye una cmara de video,un sistema de toma de muestras lquidas y tres espectrmetros: in-frarrojo, ultravioleta y Raman. Este prototipo est en su fase deprueba en campo y ya ha viajado a la base espaola de la Antrtiday al desierto de Atacama, donde ha recogido sus primeros datos.

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Los espectrmetros ultravioleta e infrarrojo ya se han utilizadoen diferentes misiones de exploracin, pero hay un tipo de espec-trometra ampliamente utilizado en los laboratorios de geologa yqumica que nunca ha formado parte de ninguna misin: la espec-trometra Raman.

Quizs la razn fundamental sea que, a diferencia de las prime-

ras, que no requieren de ninguna fuente de excitacin, en la espec-trometra Raman es necesaria la utilizacin de un lser, una tecno-loga con ciertos requisitos de estabilidad y consumo. Actualmente,los desarrollos tecnolgicos permiten incorporar esta tcnica en uninstrumento espacial, por lo que un espectrmetro Raman, lidera-do por un investigador de la Unidad Asociada al CAB de la Univer-sidad de Valladolid, forma ya parte de la instrumentacin cientficadelrover ExoMars de la ESA.

Cmaras de simulacin y de caracterizacinCmaras de simulacin

Desgraciadamente el coste de desarrollo de una misin a Marte, J-piter o Saturno es lo suficientemente elevado como para que no selleven a cabo con la periodicidad que le gustara a la comunidadcientfica. Muestra de ello es que hoy en da es necesaria lo coope-racin de diferentes agencias espaciales para llevarlas a cabo. Porlo tanto, la nica forma de entender los fenmenos que tienen lugaren los planetas es simularlos a pequea escala en cmaras especial-mente diseadas.

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

Reportaje

Imagen artstica del roverExoMars. En primer plano,imagen del espectrmetroRaman sobre el brazorobtico de prueba.

Crdito:ESA

Crdito:DiCYT

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puede simular irradiacin ultravioleta y de partculas de baja ener-ga. Esto permite simular fenmenos en la superficie marciana co-mo, por ejemplo, la posibilidad de existencia de agua lquida en de-

terminadas mezclas de agua y sal, o estudiar las posibilidades quetiene una comunidad bacteriana de sobrevivir en una mezcla deminerales tpica de la superficie de Marte, sometida a los ciclos ex-tremos de temperatura a los niveles de radiacin ultravioleta que sedan en ella. Una de las ventajas de este tipo de instalacin es la po-sibilidad de acoplar instrumentacin de laboratorio para monitori-zar los cambios que se producen en la muestra de ensayo duranteel experimento. En nuestro caso, se dispone de un espectrmetroinfrarrojo que permite monitorizar los cambios mineralgicos.

Otra de las cmaras existentes, la HPPSC, es capaz de reprodu-cir las condiciones de alta presin generadas en la corteza de Euro-pa, la luna de Jpiter. Se supone que su interior es un gran ocanode agua lquida cubierto por una corteza de hielo de varias decenasde kilmetros de espesor. Dentro de esa capa de hielo, y protegidosde la radiacin 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 cmara de ensayos se monitorizana travs de un espectrmetro Raman.

Las capacidades de simulacin se pueden llevar ms all 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 presin y altos niveles de radiacin ultravioleta.Se ha construido una cmara, denominada ISAC, que reproduceestas condiciones, pero en este caso se utiliza un espectrmetro in-frarrojo, que permite seguir las transformaciones que se producenen las partculas que forman parte de los experimentos que se lle-

van a cabo.Cmaras de caracterizacin

La simulacin de las condiciones planetarias tambin es necesariapara la calibracin de los instrumentos que se van a utilizar en mi-siones de exploracin. 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 cmaras. 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-cin. La otra cmara sirve para medir la capacidad delsensor de viento del mismo instrumento REMS en condi-ciones de baja presin y con una composicin atmosfricalo ms parecida a la del planeta.

Aunque recientemente se ha lanzado la misinHers-chel, ya se est estudiando una de sus posibles sucesoras,el observatorio japons SPICA, con un espectrmetro parael infrarrojo lejano diseado en Europa. Uno de los ele-mentos crticos de esta misin, y que determinar sus ca-pacidades, son sus detectores de la radiacin infrarroja,una radiacin extremadamente dbil. Estos detectores es-tn todava en proceso de desarrollo y, por tanto, no estncompletamente caracterizados.

La contribucin del Departamento se realizar preci-samente en ese rea, 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

Parasaberms:

Misi

nViking-EspectrometraRaman

SPICA-MSL-REMS-ExoMars

Cmara se simulacin de la atmsfera de Marte,MARTE Mars Simulation Chamber.

Cmara de simulacin de atmsferas y superficies planetarias,PASC (Planetary Atmospheres and Surfaces Chamber).

Crdito: CAB Crdito: CAB

Instrumentos para trabajar a escala molecularAdems de la instrumentacin para las misiones espaciales y para la simulacin de ambientes

planetarios 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 as poder analizar los fenmenos que suceden en la superficie de mineralesa ese nivel de resolucin. Todos ellos tiene en comn que deben trabajar en ultravaco y sonlos siguientes: espectrmetro de fotoemisin de rayos X, espectrmetro de fotoemisin deradiacin ultravioleta, microscopio de efecto tnel, espectrmetro de electrones Auger y di-fractmetro de electrones de baja energa.

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Unos 20 minutos despus del Big Bang eluniverso primitivo tena una tabla de elementosqumicos muy corta: solo haba cuatro o cinco

casillas ocupadas por hidrgeno, helio, litio,berilio y quizs boro. Hoy, 13.700 millones deaos despus, la tabla peridica es mucho msrica... de dnde 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 Biologa, cmo ycundo se formaron el carbono, el nitrgeno, eloxgeno, el azufre, el fsforo y todos loselementos qumicos que componen los seresvivos?... Aunque parezca sorprendente, la vidaest ntimamente ligada a los procesos fsicosque ocurren en el interior de las estrellas.

Estrellas,

Planetasy Vida

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Reportaje

Departamento de Astrofsica

Cuando el universo tena una edad de aproximadamente 600 mi-llones de aos tuvo lugar la primera generacin de estrellas y co-menzaron a formarse las primeras galaxias. Esas estrellas eranmuy diferentes a las que conocemos ahora porque su composi-cin era muy simple, de hecho estaban compuestas fundamental-mente de hidrgeno. Las partes centrales de esos objetos primiti-

vos eran inmensos hornos donde el hidrgeno se transformabaen helio, ste en carbono, oxgeno y nitrgeno... Cadenas de com-plejas reacciones nucleares de fusin hicieron que su composi-cin qumica fuera cambiando, hacindose ms y ms variadacon la creacin de nuevos elementos qumicos. El final de la vida

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El telescopiorobtico del CABsituado en elObservatorioAstronmicoHispano-Alemnde Calar Alto(Almera) estdedicado alestudio de

planetasextrasolares.

de cada una de esas estrellas fue una tremenda explosin, una su-pernova, que arroj al espacio interestelar gas enriquecido. Lasnubes de gas contaminado, mezcladas con otras de hidrgenoprimordial, dieron lugar a nuevas generaciones de estrellas; unade ellas es nuestro Sol, en cuyo proceso de formacin, hace unos5.000 millones de aos, se cre un sistema planetario en el que la

Tierra despleg un abanico de condiciones adecuadas para quesurgiera la vida. Los elementos qumicos 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.

Qu sabemos y qu no sabemos?Tenemos teoras y modelos ms o menos detallados de c-mo se forman las estrellas y los sistemas planetarios, pero

estamos muy lejos de haber resuelto esos problemas en sutotalidad. El conocimiento acumulado por las diversas ra-mas de la Astronoma es comparable a la percepcin deun gran rompecabezas en el que muchas piezas estn yacolocadas, pero donde hay todava 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 ms profunda oscu-ridad. Podemos adivinar qu piezas faltan, pero ignora-mos sus detalles, colores y formas. Adems, no podemosrelajarnos y estar ajenos a sorpresas que cambien lo queya creamos bien establecido. Sabemos muchas cosas, pe-ro hay muchas ms que desconocemos.

Sabemos cmo son las nubes interestelares, que estncompuestas de gas en forma de tomos y de molculas, yde polvo, que son muy fras, poco densas, (si las compara-mos con otros entornos); pero estamos lejos de completarel inventario de sus propiedades y componentes. Se handescubierto muchas molculas 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 electromagntico,hay an muchas preguntas por contestar. El material msfro, en forma de polvo, es tambin un elemento bastantedesconocido. La qumica del medio interestelar, modeladaen muchos casos por la radiacin de las estrellas en su ve-cindad, tambin presenta muchas incgnitas.

Sabemos cmo se forman las estrellas, a partir de

condensaciones en las nubes de gas interestelar causadaspor ondas de choque u otras inestabilidades. Sabemos quelas estrellas ms fras y pequeas 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 qumicosque 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 entrnsito obtenidacon el telescopiorobtico del CABdel Observatoriode Calar Alto

(Almera).

Crdito: CAB

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bin siguen el mismo patrn de formacin. Sabemos que la canti-dad de masa mnima para que un objeto pueda ser consideradoestrella es el 8% de la masa del Sol, pero no sabemos cul es lamasa mxima que puede alcanzar una estrella. Sabemos tambin

que existen objetos subestelares por debajo de esa masa mnima(las enanas marrones y los llamados objetos aislados de masa pla-netaria), pero tampoco estamos muy seguros de cmo se forman yde su abundancia comparada con la de otras estrellas.

Hemos observado directamente discos circunestelares de gas ypolvo alrededor de objetos jvenes, pero no tenemos una teora cla-ra que explique los procesos por los cuales el gas desaparece enunos pocos millones de aos, y el polvo da lugar a objetos msgrandes, los planetesimales. La mayora de esos objetos chocan en-

tre s y producen polvo reprocesado, mientras que unos pocos a ve-ces tienen xito y sobreviven a esas condiciones, pudiendo conver-tirse en planetas: nuestro conocimiento de esos fenmenos estodava embrionario. Hemos descubierto sistemas planetarios ex-trasolares, pero no sabemos exactamente cmo se forman. Inclusodesconocemos muchas cosas de nuestro propio Sistema Solar.

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El Departamento de Astrofsica del CAB aglutina a varios gru-pos de investigadores cuyo objetivo es colocar nuevas piezas en laparte del rompecabezas csmico que forman todos esos procesosfsicos y qumicos desconocidos. En este ejercicio los astrnomos

se dan la mano con bilogos, bioqumicos, gelogos, cientficosplanetarios y otros especialistas en una peculiar y apasionante ca-rrera donde el testigo va pasando de unas manos a otras paracomprender cmo se form la vida y en qu entornos, no necesa-riamente iguales al que rode la Tierra primitiva, puede aparecer ymantenerse. La meta es estar preparados para cuando se descubranpotenciales indicadores biolgicos en algn planeta extrasolar. Serentonces cuando la disciplina Astrobiologa, que hoy tiene un signi-ficado algo ambiguo, cobre todo su sentido.

Qu hacemos en el Departamento de Astrofsica?El Departamento est organizado en cuatro lneas de investigacin,que intentan cubrir, a veces con solapamientos inevitables, cadauna de las reas que hemos descrito anteriomente. Las lneas tie-nen las siguientes denominaciones y contenidos:

Medio interestelar y circunestelarEn esta lnea se pretende realizar un estudioobservacional y terico de la fsica y qumicade las nubes moleculares del medio intereste-lar, tanto en las regiones ms densas con for-macin estelar, como en las nubes translcidasdel medio ms difuso, sin olvidar las envoltu-ras circunestelares alrededor de estrellas evolu-cionadas. Otro de sus objetivos es la compren-sin de la qumica en discos protoplanetariosalrededor de estrellas jvenes.

Formacin y evolucin de las estrellasEl objetivo fundamental de esta lnea es com-prender cmo se forman las estrellas y cmoevolucionan. En el marco de la Astrobiologa,los procesos de formacin estelar son intere-santes porque, adems del nacimiento de la es-trella en s, las envolturas protoestelares y losdiscos que se observan en torno a estrellas enformacin son las cunas donde nacen los

planetas. Si conocemos bien los procesos deformacin estelar, habremos abierto una vapara estudiar de una manera correcta y orien-

tada la formacin de planetas. Por otro lado, la evolucin de las es-trellas en sus ltimas fases es importante porque, como ya hemos

Reportaje

16En esta composicin de imgenes obtenida con el Telescopio Espacial Hubblese muestran 30 discos protoplanetarios recientemente descubiertos en laNebulosa de Orin.

Crditos:NASA/ESA/L.

Ricci(ESO)

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

procesado.

Objetos subestelares y sistemas planetariosEn esta lnea se exploran regiones jvenes de formacin estelar yasociaciones de estrellas de la Galaxia para la deteccin directa

de enanas marrones y objetos aislados de masa planeta-ria, y de objetos en rbita en torno a cuerpos de mayormasa. Se aborda tambin el estudio y anlisis de la evo-lucin y las propiedades fsico-qumicas de las atmsfe-ras ultrafras tpicas 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 bsqueda y deteccinde planetas rocosos en zonas de habitabilidad en torno a

estrellas de la secuencia principal es uno de los hitosque la investigacin en planetas extrasolares viene persi-guiendo en los ltimos aos: su descubrimiento es unpaso previo indispensable para intentar buscar en ellosindicadores biolgicos.

Fsica extragalcticaPara comprender cmo se origin la vida es preciso estu-diar la evolucin del universo a gran escala, desde su naci-

miento hasta la formacin de los discos protoplanetarios,en los cuales se forman sistemas planetarios como elnuestro. Como ya hemos sealado, el gas primordial quese form tras la Gran Explosin (elBig Bang), formadocasi en su totalidad por hidrgeno, dio lugar a sucesivas

Impresin artstica de ALMA, con dos posibles disposiciones de antenas. En suconfiguracin compacta (imagen pequea) todas las antenas estn confinadasen un radio de 250 m; mientras que la mxima separacin de antenas ser de16 km (imagen grande).

Para comprender cmose origin la vida espreciso estudiar la

evolucin del universo agran escala, desde sunacimiento hasta laformacin de los discosprotoplanetarios.

Crditos:ALMA(ESO/N

AOJ/NRAO)

Crdito: ESO

Crditos: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)

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

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generaciones de estrellas que crearon en su interior todos los ele-mentos ms pesados que conocemos. El estudio de los procesosque han determinado la formacin y evolucin de las galaxias esesencial para comprender el origen de las nubes moleculares, su

distribucin, y las condiciones necesarias para que se hayan forma-do planetas similares a la Tierra en otros lugares del universo.

El Observatorio VirtualEstas cuatro lneas se complementan con una lnea de desarrollo, elObservatorio Virtual, que tiene como principal objetivo garantizarel acceso y el anlisis rpido y eficiente de la informacin existenteen archivos astronmicos 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 aos en la adaptacin de sus archivos a los estn-dares marcados por el consorcio internacional de observatorios

virtuales. La cantidad de informacin disponible en la actualidad estan enorme que sin el desarrollo de protocolos y herramientas espe-cficas sera imposible una explotacin eficiente de todos ellos.Imaginemos simplemente el inmenso esfuerzo que supone la com-paracin de bases de datos que contengan decenas de millones deobjetos astronmicos, estableciendo criterios basados en brillos, co-lores, morfologas u otras propiedades observacionales o fsicas.Otro ejemplo sera la comparacin directa de observaciones en to-dos los rangos de longitudes de onda de un objeto astronmico da-do: una mnima experiencia demuestra que los mtodos de reduc-cin, almacenamiento, e incluso las unidades fsicas en las quecada comunidad (astrnomos de rayos X, ultravioleta, ptico, in-frarrojo, radio...) trabaja, son distintos. El Observatorio Virtual estayudando no slo a derribar esas barreras y a desarrollar herra-mientas de anlisis, sino a hacer nueva ciencia.

Cmo trabajamos?Los astrnomos son cientficos peculiares comparados con los deotras disciplinas. Salvo en unos poqusimos casos (bsicamente 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 nico elemento que nos proporciona la informa-cin sobre el universo, y los telescopios y sus cada vez ms sofisti-cados instrumentos, las herramientas que nos permiten captarla.

En comparacin con los astrnomos de hace pocas dcadas,

hoy somos afortunados por poder observar el universo desde losrayos gamma, los fotones ms energticos, hasta las ondas de ra-dio. Cada rango de longitudes de onda ofrece informacin sobreun tipo particular de fenmenos o propiedades. En concreto, eluniverso fro materializado en las nubes interestelares se nos des-

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Reportaje

La superestructura metlica del GTC

asomndose a travs de la compuerta deobservacin de la cpula.

vela a travs de las observaciones en radio y en el infrarrojo leja-

no; los discos protoplanetarios los vemos adems en el infrarrojoprximo y en el ptico. El universo ms caliente muestra sus pro-piedades en longitudes de onda ms cortas. En la actualidad esimpensable estudiar un objeto astronmico restringindose a unrango limitado de energas.

Las tcnicas de observacin que utilizamos van desde la msobvia, que es la imagen directa y que da una idea de la morfologade los objetos, hasta otras ms sofisticadas como la espectroscopia,que permite un anlisis en detalle de propiedades como abundan-

cias qumicas, movimientos de rotacin o con respecto a un siste-ma de referencia dado, campos magnticos, o la fotometra, quecapta luz en determinadas bandas de color, proporcionando infor-macin acerca de la distribucin de energa. La interferometra,que combina las observaciones de telescopios individuales, muchas

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(JWST), la puesta en funcionamiento delAtacama LargeMillimeter/Submillimeter Array (ALMA), y el proyecto del

European Extremely Large Telescope (E-ELT), auguran unapoca realmente excitante de trabajo y descubrimientosen las disciplinas a las que se dedican los astrnomos delCAB. Afortunadamente, y esto es lo apasionante de nues-tra ciencia, el universo nunca dejar de sorprendernos. Z

Par

asaberms:

Planetasextrasolares-enanasmarrones-

discos

circu

nestelares-discosprotoplanetarios-

GTC-JWST

Hers

chel-ALMA-E-ELT-ObservatorioVirtual

El futuro inmediato,con el lanzamientodel JWST, la puestaen funcionamiento deALMA y el proyectodel E-ELT, auguran

una poca realmenteexcitante dedescubrimientos.

El JWST ser el mayor telescopio en el espacio, con unespejo primario segmentado de 6,5 m de dimetro. Seubicar en un punto situado a una distancia de 1,5 millonesde km de la Tierra, en direccin opuesta al Sol.

Crdito: P. Bonet/IAC

Crdito:NASA

veces situados a miles de kilmetros de distancia unos de

otros, como sucede en ondas de radio, permite alcanzar ni-veles de detalle sorprendentes en objetos muy lejanos.

Las observaciones (y ah la Astronoma ya se une a lametodologa de otras disciplinas cientficas) se contrastan con hi-ptesis, modelos tericos y simulaciones a las que la informtica,con sus dispositivos de almacenamiento masivo de datos cada

vez ms potentes y su capacidad de clculo, ha dado un impulsoenorme.

El presente, con el Observatorio Espacial InfrarrojoHerschel en

pleno funcionamiento y los grandes telescopios pticos e infrarro-jos en tierra de la generacin de los 10 metros (referindonos aldimetro de sus espejos principales), entre los que se encuentra elGran Telescopio Canarias (GTC), y el futuro inmediato, con el lan-zamiento del observatorio infrarrojoJames Webb Space Telescope

C

rdito:ESA

Herschelcuenta actualmente con el mayor espejodesplegado nunca en el espacio, de 3,5 m de dimetro.

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Reportaje

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

Departamento de Planetologa

y Habitabilidad

Qu 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 an seguimos sin tener una respuesta directa. El famoso fsico y premioNobel Erwin Schrdinger ya se pregunt sobre ello en una clebre serie de conferencias divulgativas impartidas enel Trinity Collegede Dubln en febrero de 1943, y que dieron como resultado la publicacin, al ao siguiente, dellibro What is life?que influy decisivamente en la ciencia posterior.Para poder responder algn da a esta pregunta tendremos que haber conseguido entender los procesos que

subyacen a la biologa en todos sus ambientes y su relacin con el sustrato que la rodea en su hbitat.

Crditos: NASA/JPL-Caltech

Evolucin de los planetas

y sus atmsferas

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La interrelacin que aparece entre la geologa y la biologa encualquier ambiente, ya sea caracterizado por un bajo pH o porelevadas temperaturas, ha sido fundamental en el desarrollo yevolucin del proceso fsico-qumico que conocemos como vi-da. Pero, para emerger, la vida requiere de la aparicin de cuer-pos planetarios que la soporten y alberguen. Por tanto, por ex-trapolacin, podemos preguntarnos igualmente por el origen yevolucin del nico planeta que hasta ahora sabemos que al-berga vida o, de forma ms genrica, por la formacin y evolu-

cin de planetas y sus atmsferas y su capacidad para albergarvida. Estas son algunas de las cuestiones clave de la Astrobiolo-ga y a las que intentamos dar respuesta en el Departamento dePlanetologa y Habitabilidad. Iremos, a lo largo de este viaje,desgranando cada una de ellas, describiendo de forma ms ex-

haustiva cada uno de los temasde trabajo que forman parte de

este Departamento.

El origen de la vidaSi ya nos es difcil describir ques la vida, el problema aumentacuando nos preguntamos por suorigen y por los rastros molecula-res que ha ido dejando en el re-gistro fsil a lo largo de la histo-

ria del planeta Tierra. El estudiode la conservacin de la materiaen el registro geolgico podraayudarnos de forma determinan-te a entender el origen de la vida.

Cmo fue este origen? Qucaractersticas tena la Tierracuando se produjo la aparicinde este proceso fsico-qumicoque, adems, iba a cambiar lascondiciones ambientales del pla-neta donde se origin?

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

entre otros) se conservan, bajo determinadas circuns-tancias, en las rocas sedimentarias. Estos compuestosposeen patrones caractersticos de istopos establescomo resultado de su origen biolgico. Los istoposestables constituyen un grupo de fsiles qumicos cuyoestudio puede ayudar a discernir el origen y evolucinde la vida temprana en la Tierra.

El estudio del origen y posterior evolucin de la vi-da se complica desde el momento en que es el propio

proceso de la vida el que altera las condiciones am-bientales del entorno donde se origina, modificandosu rastro y, en algunos casos, incluso hacindolo desa-parecer. La aparicin del oxgeno como producto me-tablico, de gran toxicidad debido a su capacidad oxi-

Crditos: ESA/NASA/JPL/University of Arizona

El estudio de laconservacin de lamateria en el registro

geolgico podraayudarnos de formadeterminante a entenderel origen de la vida.

Imgenes de Titn, una de las lunasde Saturno, obtenidas por la sondaHuygensen su descenso hacia lasuperficie el da 14 de enero de2005. Las imgenes fueron tomadas

a cinco alturas diferentes.

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

Si an queremos complicar ms esta historia cientfica 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 la

vida, como por ejemplo en una de las lunas de Saturno, Titn,donde existen compuestos qumicos y condiciones que podranparecerse 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 Planetologa y la Ha-bitabilidad.

Ro Tinto y los ambientes extremosLa presencia de ambientes extremos con una gran diversidadde formas de vida tambin supone un reto cientfico al que darexplicacin. Desde hace tres dcadas nuestro concepto de los l-

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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 ro Tinto fue slo el comienzo de esta gran aven-tura que es la investigacin en ambientes extremos dentro delDepartamento. Un ro, de aproximadamente 100 km de longi-tud desde su nacimiento en la sierra de Aracena hasta su de-sembocadura en la ra 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 pens que las caractersticas que ateso-ra este Ro eran fruto de la contaminacin debida a las minasde ro Tinto, una explotacin minera a cielo abierto que se si-

ta en su origen, en los trminos municipales de Minas de RoTinto y Nerva.Sus aguas poseen una concentracin metlica muy alta.

As, la concentracin de hierro puede alcanzar los 20 gramospor litro, como ejemplo. En sus aguas en-contramos disueltos todos y cada unos delos elementos metlicos de la tabla peri-dica, incluyendo metales pesados. Estosmetales son muy txicos para la vida pe-ro, an as, la diversidad encontrada ensus aguas es muy amplia. Nuestro viajepor los ambientes extremos pasa tambinpor lagunas saladas como la de Trez, unambiente hipersalino con elevada presinosmtica para los organismos que en ellase desarrollan. Un desierto salino,ElChott El Jerid, situado al sur de Tnez,

junto con el desierto de Atacama en Chi-le, son otros lugares de inters para en-

tender las posibilidades de la vida en am-bientes con muy baja actividad de agua.

Otro parmetro que determina queun ambiente pueda ser extremo es la tem-peratura. Los ambientes fros de los hie-los antrticos o de los suelos de perma-frost de Alaska o del rtico son tambinambientes donde podemos estudiar la ha-bitabilidad de lugares extraterrestres co-

mo la luna Europa de Jpiter o algunoslugares del planeta Marte, donde las son-das de exploracin de las agencias espa-

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

Reportaje

Crdito: CABImagen del ro Tinto

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podemos encontrar en Islandia,donde los surgimientos deaguas calientes, conocidos co-mo giseres, presentan diversi-dad microbiana adaptada a es-

tas circunstancias. Cmo sumaquinaria celular se adapta aestas altas temperaturas o cmolos organismos acidfilos queencontramos en ambientes conbajo pH se adaptan a esa aci-dez, es uno de los retos con losque nos encontramos los cient-ficos del Departamento. Otros

ambientes que tambin se estnestudiando desde puntos de vis-ta geolgico, mineralgico ygeoqumico son los sistemas de mineralizacin hidrotermales yde metano en anlogos terrestres como Jaroso, Islandia, Golfode Cdiz, Antrtida o Canarias.

La Tierra: ambientes extremos y panspermiaAmbiente extremo por excelencia, tomando las condiciones ac-tuales que imperan en nuestro planeta como referencia, fue la

Tierra Primitiva. La formacin, consolidacin y enfriamientoprogresivo del planeta dieron lugar a un ambiente extremo, conaltas dosis de radiacin procedente del espacio exterior y conun gran nmero de impactos de meteoritos. En este ambientecambiante fue donde se origin la vida que, a su vez, interac-cionando con el contexto geolgico, consigui establecerse yevolucionar, modificando este escenario.

La investigacin de este ambiente no resulta fcil porqueno existe un anlogo directo sobre el que trabajar. Las tcnicas

de estratigrafa y geoqumica de istopos 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 tcnicas nos ayudan a investigar loseventos de impactos de meteoritos a lo largo de la historia delplaneta y sus efectos sobre la biologa. En el Departamentoexiste un gran inters por los estudios de impactos de meteori-tos, la qumica asociada a estos eventos as como por la posibi-lidad de transferencia de formas de vida entre planetas. As,

por ejemplo, se simulan microimpactos sobre satlites de hielopara estudiar la qumica asociada mediante el uso de una tc-nica novedosa conocida como ablacin mediante lser pulsan-te, que est siendo usada en el Departamento para ahondar enel conocimiento de estos procesos.

Fue el qumico sueco Svante August Arrhenius

quien, en 1908, us la palabra panspermia para expli-car el comienzo de la vida en la Tierra. Esta teora for-mula el origen de la vida en el planeta Tierra a travsde la inoculacin de semillas de vida procedentes delespacio exterior transferidas por meteoritos. Algunosexperimentos recientes desarrollados en el Departa-mento dentro del proyecto Lithopanspermia -dedicadoa la evaluacin 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 teora al expo-ner microorganismos endolticos (que viven en elinterior de rocas) a condiciones del espacio exteriorsin la proteccin de la atmsfera terrestre.

Las similitudes de Marte con la Tierra en su origen

disparan 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 morfolgicos de su superficie apuntan laposible existencia, al menos en el pasado, de agua l-quida. Los famososgullies o rasgos de escorrenta ca-tastrfica que se han identificado en algunos lugaresdel planeta, son signos inequvocos del desplazamien-

to de un elemento lquido 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 hdricoque incrementara ese potencial de habitabilidad. La

Imagen de la Hellas PlanitiadeMarte obtenida por la sonda enrbita marciana MarsReconnaissance Orbiter(MRO)donde se aprecian numerosos

canales (gullies) con anchurascomprendidas entre 1 y 10metros.

Crditos: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

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geologa del planeta rojo tambin es punto de inters para va-rios cientficos del Departamento.

A finales de 2011, como colofn a los estudios que se desa-rrollan en la actualidad en el Departamento, se lanzar la son-da de la NASA Mars Science Laboratory (MSL). Esta misinbuscar rastros que pudieran reportar la presencia de vida ac-tual o pasada en el planeta rojo. Uno de los instrumentos que

viajarn a Marte en el marco de esta misin es la estacin me-teorolgica REMS, que ha sido construida y liderada por cien-

tficos del CAB. Este instrumento medir parmetros comotemperatura y humedad de la atmosfera, temperatura del suelode Marte, velocidad del viento y la radiacin ultravioleta quellega a la superficie. Entre el equipo cientfico de la misin hay

varios miembros del Departamento. La dinmica y naturalezade la atmsfera, as como el potencial de habitabilidad de esteplaneta, se estudiarn a partir de los datos que aporte esta mi-sin espacial. Algunos experimentos desarrollados en cmarasde simulacin avanzan resultados prometedores sobre la super-

vivencia de ciertas bacterias en condiciones marcianas. El CABdispone de varias de estas cmaras que estn siendo usadas pa-ra hacer simulacin en condiciones marcianas as como paracalibrar los instrumentos que volarn a Marte en el marco de lamisin MSL.

Atmsferas planetariasHay muchas interrogantes acerca del origen y evolucin de lasatmsferas de los planetas del Sistema Solar. Dos de los proce-sos fundamentales en el origen y evolucin de las atmsferasde los planetas terrestres que no terminamos de entender y queeste departamento estudia, son el escape hidrodinmico de ga-ses atmosfricos y el papel del campo magntico de un planetay su interaccin con el Sol o la estrella que circunda (planetas

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Reportaje

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

Crditos: NASA/JPL

extrasolares) para mantener la atmsfera 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 tamao, el tipode estrella que circunda, la cantidad de nitrgeno y carbonodisponibles en su atmsfera, la presencia de placas tectnicas,la probabilidad de impactos de meteoritos y cometas, y los fac-tores de estabilizacin de su rbita (por ejemplo, la presenciade satlites).

As, de forma esquemtica, las cuestiones ms relevantesrelacionadas son las siguientes: la investigacin de la presenciade metano (CH4) en Marte y su origen; el estudio de la presen-cia de agua bajo la superficie de Marte; la validacin de las hi-ptesis acerca del origen de la vida en la Tierra; la validacinde la hiptesis de la etapa de "Bola de nieve" de la Tierra; labsqueda de solucin a la "paradoja del Sol joven y dbil"; elorigen y evolucin de las columnas de agua en Enclado; laevolucin de la presin atmosfrica en los planetas en general y

en la Tierra en particular; el papel de los meteoritos en la evo-lucin atmosfrica; la sntesis orgnica en Titn; y la investiga-cin de la habitabilidad y supervivencia en mundos como Ti-tn, Europa o Enclado.

Otro cuerpo celeste de nuestro sistema solar con gran po-tencial de habitabilidad y que merece mencin aparte es la lu-na Europa de Jpiter. Esta luna est formada por un ncleo ro-coso silceo rodeado por un lquido probablemente con altaconcentracin en sales y por una corteza de hielo de grosor ynaturaleza desconocidos. La misin Galileo recogi datos queindicaban un campo magntico en el entorno de Europa coninteraccin con el Joviano. Este hecho se interpret como unindicativo de la presencia de un ncleo de hierro as como de laexistencia de un ocano lquido de agua salada. Las caracters-

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Parasaberms:

Panspermia-gullies-ambientesextremo

s

abla

cinlser

ticas ms llamativas de la superficie de Europa sonunas bandas o vetas oscuras que aparecen a modo desurcos y que se entrecruzan por la superficie de esta

luna. Son semejantes a los hielos marinos terrestres,con rasgos de desplazamiento en los bordes de las pla-cas que forman, lo que confirmara la existencia de unocano lquido en la sub-superficie que permitira eldesplazamiento de estas placas en superficie.

En el Departamento tambin se estudia la produc-cin de molculas complejas como aminocidos o ci-dos carboxlicos sobre Europa. Estas caractersticasapuntan a Europa como el siguiente cuerpo celestecon potencial de habitabilidad que ser estudiado porlas agencias espaciales en un futuro prximo. En la ac-tualidad ya se est diseando una misin espacial paraestudiar el sistema Joviano con especial atencin dedi-cada a la luna Europa. Z

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

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

Crditos: NASA/JPL/SSI; Mosaico: E. Lakdawalla

Crditos:NASA/JPL/UniversityofArizona

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La evolucin molecular hace referencia a un enorme nmero deprocesos responsables de la aparicin de una (bio)qumica com-pleja y, ms adelante, a los mecanismos que han permitido hallarsoluciones a los retos ambientales con los que la vida se ha ido

encontrando a lo largo de su historia. Cmo fue posible que mo-lculas simples como el metano, el dixido de carbono o el agua,entre otras, generaran las primeras biomolculas? Qu informa-cin nos proporcionan los virus actuales sobre la adaptacin depoblaciones a ambientes cambiantes? Cul es el mecanismo quepermite a algunas bacterias sobrevivir en ros extremadamentecidos y ricos en metales pesados? Qu huellas moleculares dejala vida y cmo podemos detectarlas? stas son algunas de lascuestiones a las que se enfrentan los distintos grupos de investi-gadores del Departamento de Evolucin Molecular.

La chispa de la vidaHay un buen nmero de dificultades que jalonan el caminodesde la qumica inorgnica hasta la primera molcula capaz

Inicioe historiade la vida

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Reportaje

El viaje hacia la evolucin molecular parte de lo inanimado. Laspropiedades fsicas y qumicas de la materia inerte dieron

lugar a molculas progresivamente ms complejas que, en

algn momento temprano, cuando la Tierra an era un planeta

joven, desarrollaron por vez primera la capacidad de hacer co-

pias de s mismas, de autorreplicarse. Fue el primer paso de

un gran viaje que ha explorado muchos caminos. La seleccin

natural es el artce de la biodiversidad a travs de un procesode prueba y error que ha desembocado en adaptaciones a los

ambientes ms extremos. La vida es plstica y maleable, y por

ello ubicua. Pero esconde an muchos secretos que desvelar.

Crditos:M.Strck/M.

Sierra

Departamento de Evolucin Molecular

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

Desde los aos 50 del siglo XX se realizan experimentos desntesis prebitica en condiciones que reproducen la Tierra pri-mitiva. Desde entonces se han explorado distintas condiciones

Representacin del ADN.

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donde la qumica pueda generar productos complejos, como sesabe que ocurre en la superficie de Titn. En los experimentos desntesis prebitica desarrollados en tales condiciones se produceuna gran cantidad de macromolculas denominadas tolinas, ri-cas en nitrgeno y muy difciles de caracterizar, que pudieron de-sempear un importante papel en la generacin de una bioqumi-

ca primitiva.Trabajamos para comprender cmo se forman los polmeros

(grandes molculas formadas por otras ms pequeas) como pa-so previo al estudio de molculas capaces de almacenar informa-cin gentica. Dentro de este tipo de molculas, destacan los pol-meros de cianuro de hidrgeno (HCN) formados en solucinacuosa, cuya naturaleza an no se entiende del todo. Por otraparte, la produccin de polmeros largos encuentra grandes difi-cultades cuando las molculas que los constituyen alternan en su

quiralidad.La quiralidad es una propiedad que tienen algunas molculas

de idntica composicin atmica de existir bajo dos formas dife-rentes, siendo una de ellas la imagen especular de la otra (comosi la pusisemos ante un espejo). Por tanto, al intentar superpo-nerlas no encajaran. Los aminocidos poseen esta cualidad.Cuando se sintetizan, normalmente se genera igual cantidad demolculas diestras (D) que zurdas (L), pero para obtener unpolmero largo y potencialmente funcional todas deben ser delmismo tipo. Los procesos que conducen a la separacin de am-bos tipos, o a la generacin preferente de una quiralidad frente aotra, se investigan tanto experimental como tericamente, y yahemos identificando diversas situaciones en las que la segrega-cin de las dos formas quirales puede ocurrir de forma natural.

Por ejemplo, cuando las mol-culas se sitan en la superficieque separa el agua del aire, laaccin de un campo magnticocomo el terrestre podra haber

causado la agrupacin selectivade formas D frente a formas L.Asimismo, cierto estado de de-sorden, inevitable por otra par-te en cualquier sistema natural,podra actuar tambin en elmismo sentido.

Las superficies de separa-cin entre dos materiales favo-

recen las reacciones entre mo-lculas. Aparece as la metforade la pizza primitiva (sustitu-yendo o al menos complemen-

tando a la conocida sopa primitiva), donde las reaccio-nes entre molculas 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 bsicos de las secuencias de ARN y

ADN. Tambin se cree que en la polimerizacin delARN podra haber sido esencial la presencia de superfi-cies minerales que actuaran como catalizadores de lareaccin.

De las molculas complejas a la replicacinDesde un mundo con molculas grandes y complejasqueda un largo trecho antes de que la maquinaria dela seleccin natural se ponga en funcionamiento. La

construccin de un sistema metablico complejo que,entre otras funciones, fuera capaz de replicar secuen-cias de ARN, pudo haber surgido gracias a la combina-cin de polmeros aleatorios de ARN que, aun sin po-der autorreplicarse, podran haber dado lugar a lasprimeras molculas con capacidad de polimerizar efi-cientemente.

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

Crdito: I. Dunn (biopolyverse.com)

Hay un buen nmero dedificultades que jalonanel camino desde laqumica inorgnica hastala primera molculacapaz deautorreplicarse.

Ejemplo de molcula quiral.

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mo (lo cual es ahora, en su mayor parte, tarea de las protenas).Es pues una cuestin fundamental establecer la capacidad fun-cional de molculas simples de ARN y, una vez dotadas de lacapacidad de replicarse, estudiar su evolucin. En el Departa-mento se realiza seleccin y evolucin in vitro de aptmeros deARN (molculas de ARN capaces de unirse a otras) y ribozimas(molculas de ARN con la habilidad de promover reaccionesqumicas). Los estudios experimentales se complementan conanlisis computacionales de poblaciones de secuencias de ARNen situaciones anlogas a las experimentales. Ambas aproxima-ciones estn proporcionando nuevas claves sobre los mecanis-mos que podran haber operado en el mundo de ARN, comopor ejemplo la forma en que podra emerger una molcula con

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capacidad de polimerizacin a partir de

pequeos polmeros generados al azar.Una vez que las primeras molculas

con capacidad autorreplicativa fueronabundantes en el mundo prebitico, la co-operacin y la competencia entre molcu-las y la necesidad de adaptacin a nuevosambientes llevaron sin duda a la aparicinde formas de organizacin ms complejas.En este contexto, una de las grandes cues-

tiones es cmo se produce la evolucin y laadaptacin a nivel molecular; y, por tanto,cmo afectan las inevitables mutaciones ala viabilidad de los organismos.

La vida imparableUna vez la replicacin fue eficiente, la aparicin de formas mscomplejas fue un proceso imparable. Numerosos hitos fueronsucedindose en los millones de aos siguientes: nuevos meta-bolismos en los microorganismos (como la fotosntesis oxigni-

ca), la aparicin de la clula eucariota y, poco despus de losseres pluricelulares, la diferenciacin en sexos y la coloniza-cin final de prcticamente todos los ambientes terrestres, delagua al aire, de los volcanes submarinos a los hielos, de los roscidos al subsuelo profundo. Las claves para desvelar la evolu-cin molecular detrs de estas adaptaciones las encontramosen modelos sencillos.

Un sistema que nos permite estudiar la evolucin in vitro entiempos cortos son los virus de ARN, gracias a que forman gran-

des poblaciones, se replican rpidamente 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 suadaptacin a distintas situaciones ambientales y su respuesta aluso de sustancias mutagnicas que aumentan los errores en lacopia de su genoma. A pesar de que esta terapia se ha usado enocasiones para causar la extincin de la infectividad viral, hemosdescubierto que un aumento en la tasa de mutacin tambin pue-de tener un efecto beneficioso, ya que la generacin de mutantes(nuevas propuestas evolutivas, al fin y al cabo) puede promoverla adaptacin a nuevos ambientes.

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

Reportaje

Crdito: CAB

En la imagen, seleccin de plantas deArabidopsis thalianaen tierra conbasta (herbicida). Estas plantas hansido "transformadas" con un gen deresistencia al nquel procedente demicroorganismos hallados en el suelode ro Tinto.

Imagen obtenida conmicroscopio electrnicode transferencia dondeaparecen ejemplares deBacillus subtilis. Son

visibles los flagelospertricos, que salen delos lados del bacilo y nodel pice.

Crdito: CAB

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que tradicionalmente se haban considerado inhspitos son conoci-

das en una mnima parte, as como las complejas relaciones quehan establecido con el medio fsico. Se est dedicando un gran es-fuerzo a la caracterizacin de sus metabolismos y a la forma en queestn organizados, ya que este conocimiento es clave para desentra-ar 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 de

vista. Lo habitual es que de ellos se obtenga informacin sobremuchos otros seres vivos con los cuales comparten historiaevolutiva y, por tanto, informacin gentica.

La bacteriaLeptospirilum ferrooxidans habita en las aguascidas y ricas en hierro del ro Tinto. Su fascinante genoma es-

t cediendo al empeo por descubrirlo de los investi-

gadores del Departamento que lo estudian, revelando,por ejemplo, su capacidad para desarrollar un metabo-lismo aerbico (consumiendo oxgeno para obtenerenerga) o para formar, en otras condiciones, biopel-culas, dentro de las cuales funciona el llamadoquo-

rum sensing: el intercambio de seales qumicas entrelas bacterias capaz de inducir comportamientos colec-tivos en la poblacin. Hemos estudiado la expresingnica de esta bacteria en su medio natural y hemoscomprobado que se trata de un microorganismo mul-ti-extremfilo, ya que contiene los mecanismos mole-culares para sobrevivir en un medio extremadamentecido, con una alta concentracin de metales y someti-do a un fuerte estrs oxidativo.

En primer plano, imagen de laLeptospirillum ferrooxidans. De fondo,

imagen de ro Tinto (Huelva, Espaa).

Crditos:CAB

Crdito: CAB

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En el Departamento tenemos un gran inters por co-nocer los mecanismos de interaccin entre diferentes or-ganismos que forman verdaderos consorcios para su su-pervivencia. Un caso particular es la interaccin entremicroorganismos y plantas, que proporciona a stas nue-

vas capacidades de adaptacin a condiciones adversas.Nuestras plantas modelo sonArabidopsis thaliana yErica

andevalensis, cuya resistencia al nquel (ya sea usando va-riedades naturales o transgnicas) est siendo analizada.La formacin de colonias y estructuras multicelulares mi-crobianas en las que se distinguen formas y fisiologas ca-ractersticas constituyen modelos interesantes para estu-diar el comportamiento multicelular.Bacillus subtilistambin es un buen modelo para estudiar mecanismos de

quorum sensing, si bien es interesante adems 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 gnica horizontal, es la forma en la que la biologa,desde sus inicios, ha originado organismos transgnicos.

Diversidad en ambientes naturales: genomas y

metagenomasA pesar de la dificultad para cultivar muchos micro-organismos