En un artículo reciente, hablé del increíble diseño de los átomos no metálicos y de la sorprendente coincidencia de que los mismos átomos a partir de los cuales se pueden construir formas estables y definidas también nos dan la fuerza hidrófoba, que es la clave para organizarlos en estructuras de niveles superiores. Aquí discutiré la aptitud del carbono para la vida y las circunstancias increíblemente fortuitas que promueven su abundancia en el universo.

La aptitud del carbono para la vida

El átomo de carbono, constituyente primario de las moléculas orgánicas, es, en varios aspectos, excepcionalmente apto para el ensamblaje de las macromoléculas complejas que se encuentran en la célula. En primer lugar, debido a la estabilidad de los enlaces carbono-carbono, sólo el carbono puede formar polímeros largos de sí mismo, formando largas cadenas o anillos, y al mismo tiempo unirse a otros tipos de átomos. Aunque el silicio también puede formar largas cadenas uniéndose consigo mismo, estos enlaces son significativamente menos estables que los enlaces carbono-carbono. Plaxco y Gross señalan que «si bien los enlaces silicio-silicio, silicio-hidrógeno y silicio-nitrógeno son similares en energía, el enlace silicio-oxígeno es mucho más estable que cualquiera de los otros tres tipos. Como consecuencia, el silicio se oxida fácilmente a dióxido de silicio, lo que limita la química disponible para este átomo siempre que haya oxígeno presente. Y el oxígeno es el tercer átomo más común del Universo».1 Como explica Primo Levi, el carbono «es el único elemento que puede unirse en largas cadenas estables sin un gran gasto de energía, y para la vida en la Tierra (la única que conocemos hasta ahora) se necesitan cadenas precisamente largas. Por lo tanto, el carbono es el elemento clave de la sustancia viva».2

En segundo lugar, el carbono es tetravalente, es decir, cada átomo puede formar cuatro enlaces covalentes con otros átomos. En tercer lugar, el carbono posee un núcleo atómico relativamente pequeño, lo que implica distancias de enlace cortas, lo que le permite formar enlaces estables consigo mismo y con otros átomos. Esta propiedad también la poseen los otros átomos pequeños no metálicos en el período dos. El carbono es capaz de formar enlaces simples, dobles y triples con otros átomos. El nitrógeno también puede formar enlaces simples, dobles o triples y el oxígeno puede formar enlaces simples y dobles. Compare esto con los átomos no metálicos directamente debajo de ellos en la tabla periódica (silicio, fósforo y azufre) que poseen radios atómicos más grandes y, por lo tanto, forman tales enlaces con menor facilidad debido a que los enlaces múltiples tienen una estabilidad reducida.

Otra propiedad de los enlaces orgánicos es que su fuerza se encuentra dentro de una zona de muy equilibrada, y no es ni demasiado fuerte ni demasiado débil para las manipulaciones bioquímicas en la célula. Si la fuerza de esos enlaces se alterara en un solo orden de magnitud, haría imposibles numerosas reacciones bioquímicas que tienen lugar en la célula. Si fuera demasiado fuerte, la energía de activación necesaria para romper los enlaces no podría reducirse lo suficiente mediante la actividad enzimática (las enzimas tensan los enlaces químicos al participar en movimientos conformacionales específicos mientras están unidas a un sustrato). Por el contrario, si los enlaces orgánicos fueran mucho más débiles, los enlaces se romperían con frecuencia por colisiones moleculares, lo que haría imposible la química controlada.

Otra característica especial del carbono es que no hay mucha variación en los niveles de energía de los enlaces de carbono de un átomo a otro. Robert E. D. Clark explica que el carbono “es amigo de todos. Sus energías de enlace con hidrógeno, cloro, nitrógeno, oxígeno o incluso con otro carbono difieren poco. Ningún otro átomo es como este”.3 Kevin W. Plaxco y Michael Gross comentan además: «El carbono presenta un campo de juego bastante nivelado en el que la naturaleza puede barajar enlaces simples y dobles carbono-carbono, carbono-nitrógeno y carbono-oxígeno sin que convertir cualquiera de estos en otro implique un costo demasiado alto… Teniendo en cuenta todo esto, no es de extrañar que los químicos hayan descrito compuestos del orden de diez millones de carbono únicos, que es tantos como todos los compuestos no carbónicos juntos.»4

Resonancia de carbono

Como hemos visto, el carbono es absolutamente fundamental para la vida. También resulta ser, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno, el cuarto elemento más abundante en nuestra galaxia. Se puede generar un núcleo de carbono rompiendo dos núcleos de helio-4 para producir berilio-8 (que contiene cuatro protones y cuatro neutrones) y luego añadiendo otro núcleo de helio para generar carbono-12 (que contiene seis protones y seis neutrones). Sin embargo, el berilio es bastante inestable y se puede esperar que se rompa en dos núcleos de helio en 10-16 segundos. En ocasiones, antes de que el berilio se rompa, un tercer núcleo de helio choca con el berilio, dando como resultado un núcleo de carbono. Da la casualidad de que el átomo de carbono posee una propiedad cuántica especial llamada resonancia, que facilita este proceso. Una resonancia describe los niveles de energía discretos en los que pueden existir los protones y neutrones en el núcleo. De hecho, resulta que la resonancia del átomo de carbono corresponde a la energía combinada del átomo de berilio y un núcleo de helio en colisión.

Como explican Geraint Lewis y Luke Barnes, «si hubiera una resonancia en el lugar correcto del carbono, la energía combinada de los núcleos de berilio y helio daría como resultado un núcleo de carbono en uno de sus estados excitados. El núcleo de carbono excitado sabe cómo manejar el exceso de energía sin simplemente desmoronarse. Es menos probable que se desintegre y más probable que decaiga al estado fundamental con la emisión de un fotón de rayos gamma. Se formó carbono, se liberó energía… ¡éxito!»5 Sin este nivel de resonancia específico, el universo contendría relativamente pocos átomos de carbono; en 1953, William Fowler descubrió esta resonancia específica que había predicho previamente Fred Hoyle, precisamente donde Hoyle había predicho sería.

Una coincidencia notable

Esta resonancia especial de carbono (conocida como estado de Hoyle), que corresponde a los niveles de energía del núcleo combinado de berilio-8 y un núcleo de helio-4, hace que el proceso de formación de carbono-12, de otro modo improbable, sea factible y eficiente en condiciones de alta temperatura de entornos de núcleos estelares. Este delicado equilibrio de los niveles de energía es un aspecto destacable de la astrofísica nuclear que permite la creación de los elementos necesarios para la vida. Si no fuera por esta resonancia especial, muy probablemente no existiría vida en nuestro universo. Esta es otra de las innumerables características de nuestro universo que tienen que ser «idoneas» para que exista vida (en particular, vida avanzada).

Notas

  1. Kevin W. Plaxco y Michael Gross. Astrobiology: A Brief Introduction, 2da edición (The John Hopkins University Press, 2011), capítulo 1.
  2. Primo Levi, The Periodic Table (Abacus, 1990), 226-227.
  3. Robert E.D. Clark, The Universe: Plan or Accident? 3ra edición, (Zondervan, 1972), 97.
  4. Kevin W. Plaxco y Michael Gross. Astrobiology: A Brief Introduction, 2da edición (The John Hopkins University Press, 2011), capítulo 1.
  5. Geraint F. Lewis y Luke A. Barnes, A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos (Cambridge University Press, 2017), 116-117.