Resumen: La odisea de un átomo individual de oxígeno desde el big bang hasta la vida en la tierra es la pieza central del libro del físico Lawrence Krauss, El átomo. El viaje de la época de extensión sigue a la luz de las estrellas misma hacia la biología compleja: Qué es, de dónde vino, y a dónde va.





Por el equipo de redacción de Astrobiology Magazine

Lawrence Krauss, catedrático del departamento de física en la Universidad Case Western Reserve , es el autor de una media docena de libros, yendo de La Física de Star Trek , a su libro más reciente de astrobiología, el átomo , que se hace cargo del reto clásico para ver el universo en un átomo y viceversa.

“El átomo” y “la Física de Star Trek”, por L.M. Krauss.

Stephen Hawking escribió que “Lawrence Krauss tiene el talento natural de Carl Sagan de expandir la imaginación y explicar los misterios del universo en términos simples”. Único por su escritura autorizada, Krauss echa mano de su experiencia y sus juicios como cosmólogo activo de investigación con más de 180 publicaciones científicas y numerosos artículos populares discutiendo asuntos relacionados con física, ciencia, y sociedad. En 2003, su reciente artículo de investigación de astrofísica fue la cubierta del 3 de enero para la prestigiosa revista Science (La Edad de los Grupos Globulares en la Vía Láctea: Las Restricciones En La Cosmología).

Astrobiology Magazine tuvo la oportunidad para hablar con el autor de bestsellers acerca de su libro, “El átomo”, subtitulado “una Odisea Individual del átomo de Oxígeno del Big Bang hasta la Vida en la Tierra... y Más Allá”.

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Astrobiology Magazine (AM): ¿Cómo surgió la idea de seguir al átomo de oxígeno desde la parte pequeña hasta lo grande y hacia atrás otra vez primero viniendo a usted como una narrativa para describir la relación entre el big bang y la vida en la tierra?

Lawrence Krauss (LK): Pues bien, durante algún tiempo, siempre había considerado que uno de los aspectos más poéticos de toda ciencia es el hecho que todos somos niños de las estrellas, literalmente, como todos y cada uno de los átomos de nuestros cuerpos estaban una vez dentro de una estrella, quizá varias estrellas, y los mismos elementos que nos forman fueron forjados dentro de hornos estelares en llamas. No estaba preparado cuando comencé, sin embargo, para el viaje verdaderamente notable de lo que finalmente escribí.

Las Potencias del Diez la película que amplifica el tamaño de un átomo solo hasta la escala del universo en pasos de 10x de magnificación.

Una de las alegrías, y los experimentos, de la escritura es la experiencia de aprendizaje de cuánto uno no sabía de temas diversos anteriormente. Supe cuándo me decidí a asumir el reto de ”El átomo” que la experiencia sería cualitativamente diferente de cualquier cosa que había hecho antes. La perspectiva de usar las vidas de un átomo para presentar una visión literaria de la historia del universo, incluyendo los amoríos de nuestro drama humano, se volvió más atrayente de lo que había pensado. Estaba también claro que esta historia no implicaría meramente física y astrofísica, sino que la geofísica muy mínima, la geología, la astronomía, la biología y paleontología. Francamente, inicialmente este reto fue también una atracción.

AM: El concepto de traslado de lo infinitesimal hasta lo infinito tiene la visualización clásica, las llamadas “ Potencias de Diez”que es atribuido a una variedad de ilustradores pero típicamente empieza en lo subatómico y se aleja hasta grandes distancias en factores de diez. Una versión europea de 1950 cubrió alrededor de 40 potencias, y una versión de 1970 narrando por Phillip Morrison cubrió otros 5 a 10 órdenes más. La versión de1990 probablemente es muy famosa en la secuencia inaugural de la película “Contact” donde una espiral dada se aleja, porque el espectador viaja en una onda electromagnética, y así involucra no sólo un zoom espacial, sino que también el viaje en el tiempo. ¿Puede hacer comentarios sobre esto, particularmente es este viaje por las potencias de diez en proporción útiles como un manual o heurístico?

LK: Pienso que provee de un curso muy útil acerca de las escalas en el Universo... quizá el único problema con él es que rechaza, de hecho, que si trazo una línea de la Tierra hasta los límites donde la luz ha viajado desde el Big Bang, esta línea tiene sólo un 1 entre 1000 de oportunidad de cruzarse con una galaxia. Las probabilidades de encontrar una aguja en un pajar no son mucho peores. Así un problema con el zoom hasta el infinito como es descrito no muestran bastante espacio negro, vacío en medio.

AM: ¿Estamos más cercanos para entender este viaje del átomo hasta el Big Bang, sólo si el elemento de “tiempo” está involucrado?

LK: Resulta que estamos eternamente protegidos de la observación visual directa del Big Bang inicial porque como si miramos más lejos y más allá fuera, está garantizado que golpeamos una pared. La probabilidad que nuestro rayo de luz estará diseminado por un protón o un electrón antes de que nos pudiera alcanzar está cercana al 100 por ciento, de manera que la sopa primordial es sopa opaca, más parecida a la sopa de tomate que al consomé. No lo podemos investigar, podemos ver sólo su superficie.

AM: En la fotografía de la cubierta, la ilustración de fondo para “El átomo” muestra huellas de la partícula moviéndose en espiral con polaridades opuestas. ¿Es preferible seguir un átomo de oxígeno como el trazador para la vida en la tierra, predispone eso el viaje hacia la evolución animal, desde que el gas de oxígeno era más un desperdicio o un veneno para la vida antigua aquí? ¿O es la odisea del átomo de todas las combinaciones diversas, de dióxido de carbono, agua, oxígeno y ozono que comprende el “alimento básico” químicamente?

El árbol de la vida, dividido en tres tipos principales de células, con y sin núcleo (el Bacteriano Procariotas y Animal Eucariotas), precedido por la raíz del árbol, Archea.

LK: Realmente escogí el oxígeno al comienzo sin entender completamente la relación notable entre el oxígeno y la vida. Mientras más aprendí, sin embargo, más perfecto pareció que, porque quise rastrear los cambios que tuvieron lugar en “el ciclo biológico” de un átomo de oxígeno en la tierra como comienzo como parte de un ciclo geológico, luego se convirtió en una parte de la vida como un producto de desecho, y luego se convirtió en una parte integral de la vida animal a través de la respiración. Todas las fases son igualmente importantes, pienso.

Así, su pregunta asume que el oxígeno como un producto de desecho de la planta es menos importante para la vida que en la respiración animal, lo cual pienso que no es el caso. Eso puede razonar, sin embargo, que la vida de hoy evolucionó de la bacteria que prosperó sin oxígeno, quizá sin luz y sólo en agua caliente. En primer lugar, en los inicios de la Tierra, no había oxígeno libre. Después, a falta de oxígeno, no había capa de ozono para proteger la vida contra la radiación ultravioleta extrema que venía del sol. Mientras hay duda que la vida pudo sobrevivir en tales condiciones, ésta no obstante lo pudo hacer inhibiendo su crecimiento en la superficie de los océanos y en tierra.

AM: La mayoría de intentos para detectar propiedades espectrales de atmósferas planetarias tienen un tipo de orden de jerarquía de la importancia para estas combinaciones químicas, con oxígeno como el ozono cerca de la parte superior. Esta ordenación por rango a menudo es más alta que el agua misma, al menos para la detección a distancia en la atmósfera. La apariencia del ozono en la tierra fue más en torno a la protección de la radiación de UV que un nutriente clásico o un balance residual de lo que es requerido como prerrequisitos biológicos. ¿Pudo obtener un planeta totalmente rocoso ozono o lo pudo conservar sin la acción de alguna forma de biología?

LK: Lo dudo. Pero también recuerde que muchas formas de la vida no necesitan oxígeno.

El chorro a presión de rayos x del centro de A Centaurus, la galaxia en ejecución más cercana a la Tierra, a 10 millones de años luz. El misterio de por qué todo la materia no puede escapar del centro de esta galaxia elíptica gigante (si un agujero negro está presente), pero un chorro fino estalló fuera deja perplejo. Crédito: NASA Chandra/NOAA / NSF

Las discusiones bioquímicas sugieren esa bacteria que come azufre, o fermentadores que producen metano, son probablemente para haber puesto una fecha anterior a la bacteria fotosintética más sofisticada. De hecho, antes de que la fotosíntesis apareciera allí la quimiosíntesis era realmente probable. Aquí las formas de vida primordiales habrían vivido sin oxígeno y a oscuras. No habrían sido accionados, como las plantas lo son, por el sol, excepto más bien por el calor de la Tierra.

AM: ¿Por qué floreció la vida en la Tierra, mientras la superficie de Marte es un desierto?

LK: Probablemente porque nuestro planeta hermano era simplemente un poco demasiado pequeño.

AM: Se dice a menudo que los tres descubrimientos cruciales para la astrobiología fueron: los extremófilos, los planetas extrasolares y un significado de que el agua puede ser más ubicua aun en nuestro vecindario solar (en meteoros como Lafayette de Marte, Europa, y la escarcha de hielo en el Marte polar). En algunos casos, esta descripción ha evolucionado bastante repentinamente, por ejemplo, con más de 100 planetas extrasolares encontrados en la última década simplemente (y ninguno conocido antes de aproximadamente 1995). En su trabajo, ¿encuentra una púa de esta tríada que sea más urgente científicamente: la vida viviendo en los extremos, montones de planetas candidatos, o el agua?

LK: Encuentro la existencia de extremófilos el avance nuevo más urgente.

Las primeras células debieron de estar más acostumbrados a la oscuridad y el olor gangrenoso de azufre asociados con respiraderos hidrotermales. Cada año uno lee de nuevas formas de vida halladas en lugares extendiéndose desde los respiraderos hidrotermales relativamente benignos hasta las regiones ácidas, tóxicas, sudorosas al pie de los pozos de petróleo profundos. Más urgente de todo, puede ser, es el descubrimiento reciente que el árbol de la vida tiene meramente tres ramas, no cinco (las plantas, los animales, los hongos, la bacteria y los protistas (los animales de una sola célula sofisticados)), y que el único más cercano a la raíz involucra a las bacterias que viven en ambientes calientes, los hipertermófilos. Los hipertermófilos desafían toda sabiduría convencional. Estas formas de vida no sólo pueden prosperar en ambientes que conforman materiales esterilizados, por encima de la temperatura de ebullición normal del agua a nivel del mar, 100 grados centígrados, ellos precisan tales temperaturas. Estos argumentos sugieren que toda vida en la Tierra hoy provino de especies que les gustaba el calor.

AM: “El átomo” tiene un paralelo poético en el famoso verso de William Blake “el mundo en un grano de arena”, pero en este caso incluso un paso más radical de lo que necesariamente debería estar inanimado por oxígeno pero probablemente incluso el grano de arena de Blake no es completamente estéril o falto de vida en un sentido microbiano. Usted hace comentarios en el libro que “recuerda que el motor que conduce la vida se basa simplemente en el movimiento de electrones”, y procede a comparar oxígeno como un aceptador de electrones combinado con hidrógeno, un donante de electrones.

¿Considera usted la unidad fundamental que podría cruzar biología y física están ahora justamente en la cúspide de lo qué nosotros llamamos “inanimada”, como las biomoléculas (RNA, ADN, oxígeno, agua), o es más como un proceso de metabolismo (transferencias de electrones) o la fotosíntesis? ¿En otras palabras, es la vida un producto o un proceso?

LK: Esa es la pregunta de un millón de dólares, por supuesto. ¡Y no tengo la respuesta! Como físico, especulo y me inclino a concentrarme en procesos más que objetos, y así encuentro el metabolismo fascinante, y para mí la característica más convincente de la vida.

Las porfirinas es una clase ubicua de compuestos que ocurren naturalmente con muchos representantes biológicos importantes incluyendo al grupo hemo, las clorofilas, y varios otros.

AM: Una crucial estructura química compartida por la clorofila y la hemoglobina es el anillo del porfirina que está desprovisto de oxígeno, pero la molécula mayor está formada de carbohidratos. ¿Pudo alguna vez su composición de un átomo coquetear con los siguientes átomos de carbono o la vida basada en el carbono, más que con el oxígeno, como su trazador?

LK: Originalmente pensé en el carbono, pero retrospectivamente ese habría sido un candidato más pobre, creo. Las transformaciones de las que el oxígeno es una parte son más fascinantes, pienso.

El carbono puede adherirse en un conjunto enormemente diverso de combinaciones, con enlaces de tipos diferentes para los diferentes propósitos. El oxígeno sin embargo ocupará un papel muy especial. Según lo que conocemos, sólo los átomos de oxígeno pueden combinarse para formar moléculas con la habilidad para impulsar a una la civilización. Así uno podría decir, la vida está impulsada por el oxígeno, y alimentada por el carbono.

Por lo que respecta a la porfirina, eventualmente los microbios dan con esta molécula en forma de anillo. En el centro de un su anillo de átomos de carbono, un átomo solo de hierro puede ser localizado, en cuyo caso éste se llama grupo hemo. La estructura particular de este grupo permite a los electrones fluir con holgura dentro de ella. De este modo, pueden ser aceptados desde fuera, pueden moverse al centro durante el transporte, y luego pueden ser redepositados en otro sitio. El desarrollo de estas estructuras y de la transferencia asociada de energía y los procesos de producción que median es de importancia crucial para nuestro átomo de oxígeno en la Tierra. Puesto que abre paso para los dos acontecimientos más profundos en la historia de la vida: la fotosíntesis y, más tarde, la respiración.

Por estos dos procesos, no sólo sería la vida cambiada para siempre pero así es como permanecería la Tierra.

AM: En la última parte del libro, usted citó al Yogi Berra “el futuro no es lo que acostumbraba ser” y discute escenarios diversos para la mortalidad de la vida como las catástrofes globales. El magazine hizo un extracto de las reflexiones de muchos científicos en “Un Mundo Perfecto” e inmediatamente el tema que emergió es que el crecimiento demográfico era la máxima catástrofe a corto plazo, mientras la prolongación de la vida o la extensión era la máxima esperanza biológica a corto plazo. Hubo necesariamente alguna tensión entre esos dos resultados.

“V-ger” de Star Trek, Spock investigando una sonda antigua. V-ger, como se llamó a sí mismo (pronunciado vee-jer) fue una antigua sonda espacial mecánica que estaba en una misión para explorar y descubrir y enviar de regreso sus descubrimientos (basado en la misión de la NASA, Voyager). Crédito: Paramount

¿Desde el punto de vista de un físico viendo los cambios en la biología, tiene usted un mejor candidato para los riesgos a corto plazo y también cómo podría recuperarse el planeta?

LK: Pienso que los riesgos a corto plazo implican problemas sociales teniendo que ver con los escasos recursos relacionados con la producción de energía y su uso. El calentamiento global va a ocurrir, y producirá desastres, pero también veo que se destruirán los ecosistemas del océano como un desastre posible. Quizá la recuperación involucrará a las formas de vida sensibles en vías de desarrollo que usan menos energía. Por ejemplo, no veo obstrucciones para la creación de máquinas inteligentes de computación, consciente de sí mismo, auto-programables.

Si esto ocurre, entonces estas máquinas lo habrán tenido que hacer una superioridad evolutiva tremenda sobre la maquinaria puramente biológica. Lo haremos, creo, pronto se podrá manipular sistemas vivos en escalas actualmente inconcebibles. Me parece que esta combinación de tecnologías tiene un resultado lógico. La humanidad si deben competir con las máquinas de su invención, inevitablemente se verá forzada a hacer lo qué finalmente se volverán posibles para hacer, a saber, integrar su biología con tecnología informática.

Si es posible, entonces ocurrirá, como espero con la clonación, la reproducción genéticamente selectiva, y un montón de otras prácticas que aún no ha comenzado a dar pesadillas éticas también ocurrirán.

Por supuesto éste es el punto de vista optimista, desde mi perspectiva. Alternativamente, como he aludido, hay una posibilidad que los recursos escasos en un planeta caliente, contaminado, mixto con una victoria posible de la superstición y el mito sobre la lógica y la racionalidad, dará como resultado numerosas guerras devastadoras, y quizá el establecimiento de teocracias que suprimen el pensamiento científico, mucho antes de que el progreso tecnológico cumpla la etapa que yo he descrito. La civilización humana luego dará un paso gigante atrás.

Los peligros de los planetas, el uso de los recursos, y la civilización

AM: Usted también publicó el libro, “ la Física de Star Trek ”, anterior al proyecto, “ El átomo”. ¿Encuentra usted personalmente la visión de Star Trek, como muchas especies quienes peregrinan por el espacio, para tener amplias miras hacia el futuro para una cierta etapa de evolución o simplemente buenos deseos pensando científicamente?

LK: Star Trek es primordialmente buenos deseos.... Pero por supuesto que los buenos deseos son también una parte de la ciencia. Y algunas veces da fruto.

AM: Las líneas de cierre del epílogo son “Sísifo estaba sonriendo”. ¿Concluiría que Sísifo sonríe por su viaje cíclico, o porque él no ve una alternativa para levantar su roca en la misma colina así como alguna clase de resignación cómica?

LK: Creo que Sísifo sonríe porque el esfuerzo es lo que hace que la vida merezca ser vivida. El viaje es a menudo más ilustrado que alcanzar el destino.

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Lawrence M. Krauss es Profesor de Física en Ambrose Swasey, Profesor de Astronomía, y Catedrático del Departamento de Física en la Universidad Case Western Reserve. Su investigación se ha enfocado primordialmente en la relación entre la física elemental de la partícula y la cosmología, donde sus estudios incluyen el universo antiguo, la materia oscura, la relatividad general y la gravedad cuántica, la evolución estelar, y la astrofísica del neutrino. Los premios previos para su investigación incluyen el Galardón del Primer Premio de la Fundación (1984) De Investigación Gravitacional, y el Premio del Investigador Presidencial (1986). Es también un Socio de la Sociedad Física americana. Él recibió su B.Sc. en Matemáticas y Física en la Universidad Carleton en Ottawa, su Ph.La D. en Física en el Instituto Tecnológico De Massachusetts en 1982 luego se unió a la Sociedad Harvard . En 1985 se unió a la facultad de Física en la Universidad de Yale, y se mudó para tomar su designación actual en 1993. El prof. Krauss es el autor de 6 libros, sobre 180 publicaciones científicas, numerosos artículos populares, y aparece frecuentemente en radio y la televisión discutiendo asuntos relacionados con la física, la ciencia, y la sociedad.