Un nuevo experimento revela cómo progresa la conversión ultrarrápida de la urea
Hallada la clave del origen de la vida
¿Cómo empezó la vida en la Tierra? Esta pregunta ha fascinado durante mucho tiempo a los expertos, que a lo largo de los años han elaborado diversas teorías. Una de ellas es que el origen de la vida se remonta a pequeños estanques cálidos que se cree que existieron en la Tierra hace cuatro mil millones de años. El agua de estos estanques contenía probablemente moléculas de urea, que quedaron expuestas a la radiación ultravioleta del sol, que en aquella época habría penetrado hasta la superficie de la Tierra sin apenas obstáculos. Esta radiación de alta energía fue capaz de convertir la urea en productos de reacción que formaron biomoléculas que más tarde sirvieron como componentes básicos de la vida, o al menos eso es lo que se cree.
Dos moléculas vecinas de urea en una solución acuosa intercambian protones.
Ludger Inhester, DESY
Esta teoría de los "pequeños estanques calientes" fue una de las cosas que llevó a un equipo de investigadores de Hamburgo, Zúrich y Ginebra a idear y llevar a cabo un experimento novedoso. El equipo dirigido por Hans Jakob Wörner, del Instituto Federal Suizo de Tecnología ETH Zürich, y Jean-Pierre Wolf, de la Universidad de Ginebra, utilizó una fuente especial de rayos X para examinar los primeros pasos, extremadamente rápidos, de la conversión de urea inducida por la luz, según informan los científicos en la revista Nature.
Para su experimento en la Universidad de Ginebra, el equipo disparó pulsos de un rayo láser a través de un chorro de una solución de urea altamente concentrada. Los pulsos de láser ionizaron algunas de las moléculas de urea, eliminando un electrón de cada una de ellas. Inmediatamente después, los científicos enviaron un pulso ultracorto de rayos X blandos detrás de ellas. Estos rayos actuaron como una sonda, revelando con gran detalle cómo reacciona la urea al desprendimiento del electrón. A continuación, el grupo repitió el experimento varias veces, cambiando sistemáticamente el intervalo de tiempo entre el láser ionizante y los pulsos de rayos X.
Como resultado, fue posible reconstruir la secuencia de acontecimientos con precisión, hasta unos pocos femtosegundos (cuatrillonésimas de segundo). La interpretación de los espectros resultantes fue un desafío especial. "Esto requirió simulaciones informáticas detalladas que hemos desarrollado aquí en el DESY durante muchos años", explica Ludger Inhester, físico del DESY que trabaja en el Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres, una empresa conjunta del DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck.
Los científicos utilizaron este sistema para determinar los pasos iniciales en la conversión de la urea. Cuando una molécula de urea se ioniza, pierde un electrón y se carga positivamente. Nada le gustaría más que deshacerse de esta carga positiva, y eso es posible cuando otra molécula de urea no ionizada se encuentra en las inmediaciones. "Entonces, la primera molécula empuja un protón, que es un núcleo de hidrógeno, hacia la molécula neutra", explica Inhester, que también trabaja en el marco del Cluster de Excelencia CUI: Advanced Imaging of Matter de la Universidad de Hamburgo. "Esta transferencia de protones crea un radical de urea junto con un ion de urea cargado positivamente". Ambos son químicamente reactivos y podrían haber dado lugar a la formación de moléculas de ARN hace miles de millones de años, componentes esenciales de la vida primitiva.
El experimento realizado por los científicos no sólo demuestra por primera vez la rápida "transacción de protones" concluida entre dos moléculas de urea, sino que también revela su duración: todo el proceso dura apenas unos cientos de femtosegundos.
"Lo novedoso de nuestro experimento es que hemos podido observar procesos extremadamente rápidos en una molécula que existe en un medio acuoso", explica Inhester. "Experimentos anteriores sólo habían observado reacciones como ésta en fase gaseosa". El comportamiento de las moléculas suspendidas en un líquido como el agua es especialmente relevante para toda una serie de cuestiones, sobre todo cuando se trata de procesos biológicos. Los experimentos en este tipo de entorno suponen un reto no sólo a la hora de realizar las mediciones, sino también en lo que respecta a los cálculos necesarios para interpretar los datos medidos.
En el futuro, la nueva técnica también podría revelar los detalles de lo que ocurre cuando la radiación ionizante incide en los tejidos, causando daños por radiación - el tipo de investigación que prevé realizar el nuevo Centro para la Ciencia Molecular del Agua (CMWS), que se está creando actualmente en cooperación internacional en el campus del DESY. Los investigadores también barajan la idea de realizar experimentos similares en una fuente de rayos X mucho mayor, el XFEL europeo de Hamburgo. Este láser de rayos X, de más de tres kilómetros de longitud y en el que el DESY desempeña un papel fundamental, produce los pulsos de rayos X más potentes del mundo. "Esto nos permitiría estudiar la transferencia de protones desde distintos ángulos", afirma Inhester, que espera que esto revele detalles adicionales sobre este proceso tan fundamental.
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