Química primordial: ¿Dónde nacen las primeras moléculas orgánicas?

¿Qué es una molécula orgánica?

Una molécula orgánica es una molécula que contiene al menos un átomo de carbono unido a otros átomos (a menudo hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre o fósforo) por uno o más pares de electrones. Estas moléculas son la base de la química de la vida, pero también pueden ser sintetizadas o presentes en entornos no biológicos (como discos protoplanetarios, nubes moleculares interestelares o cometas).

Ejemplos de moléculas orgánicas:

• Metano (CH₄)
• Etanol (CH₃CH₂OH)
• Glucosa (C₆H₁₂O₆)
• Metanol (CH₃OH)

Las zonas del disco donde comienza la química

Los discos protoplanetarios, remanentes turbulentos de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes, son la cuna de los sistemas planetarios. También es en estas estructuras donde las primeras moléculas orgánicas —precursoras de los bloques de construcción de la vida— ven la luz. Su aparición depende en gran medida de las condiciones termodinámicas y radiativas locales, como la temperatura, la densidad y la exposición a la radiación ultravioleta y cósmica.

La química en un disco protoplanetario está lejos de ser uniforme. Tres zonas principales definen los regímenes de formación de moléculas orgánicas:

• Zona interna caliente (r < 3 UA): la temperatura aquí supera los 300 K, impidiendo la condensación de la mayoría de los compuestos volátiles. Sin embargo, es un entorno rico en radicales libres que favorece reacciones rápidas en fase gaseosa, produciendo, por ejemplo, formaldehído (H₂CO) o cianuro de hidrógeno (HCN).
• Zona media de transición (~3 a 30 UA): a menudo llamada "línea de nieve", es aquí donde las temperaturas descienden por debajo de 150 K, permitiendo la condensación de moléculas como H₂O, CO₂, NH₃ o CH₄ en granos de silicato. Estos granos helados, expuestos a los rayos UV, desencadenan una fotoquímica de superficie rica que conduce a compuestos más complejos.
• Zona externa fría (más allá de 30 UA): en esta región, poco perturbada por la radiación estelar, la temperatura cae por debajo de los 50 K. La química aquí ocurre principalmente en las superficies de granos helados, a través de procesos lentos como la química de recombinación o la hidrogenación sucesiva de CO a CH₃OH (metanol).

Papel de los granos de polvo

Los granos de polvo juegan un papel crucial: son matrices sólidas donde las moléculas "se pegan" y reaccionan. La porosidad de los granos, su temperatura local y la naturaleza del manto helado influyen fuertemente en las reacciones químicas. Los granos de polvo son catalizadores de complejidad. A partir de especies simples como CO, NH₃ y H₂O, observamos la síntesis de moléculas orgánicas complejas como aminoácidos o bases nitrogenadas, a través de procesos de química de superficie, a menudo activados por radiación UV o partículas energéticas.

Ejemplos de aminoácidos:

• Glicina C₂H₅NO₂
• Alanina C₃H₇NO₂
• Serina C₃H₇NO₃
• Leucina C₆H₁₃NO₂
• Glutamato C₅H₉NO₄

Varios aminoácidos simples —así como sus precursores químicos— pueden formarse o ensamblarse en ciertas zonas del disco protoplanetario, bajo condiciones fisicoquímicas específicas, aunque la formación completa de aminoácidos complejos sigue siendo objeto de discusión.

El número total de aminoácidos detectados en muestras extraterrestres (meteoritos, cometas, experimentos en entornos simulados) supera los 90, pero con grados variables de certeza dependiendo del método de detección, la contaminación terrestre y el contexto de análisis.

Son 20 aminoácidos estándar los que componen las proteínas en los organismos terrestres.

Observación y detección: ALMA y las huellas de vida

Gracias al observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), los astrónomos detectan directamente las firmas espectrales de estas moléculas en los discos de estrellas jóvenes como TW Hydrae o IRS 48. Las líneas de emisión de metanol, formaldehído o incluso etanol testimonian una química ya rica mucho antes de la formación de planetas. Esto sugiere que la materia orgánica que encontramos en cometas o meteoritos, portadora de firmas prebióticas, proviene directamente de estos entornos primordiales.

Origen de la vida: semillas sembradas antes del nacimiento de los planetas

Así, la química primordial en los discos protoplanetarios crea un reservorio molecular ya complejo antes de que los planetas se aglomeren. Estos compuestos orgánicos, preservados en planetesimales y cometas, son luego entregados a los planetas jóvenes, proporcionando un sustrato potencial para la emergencia de la vida.