La primera evidencia de vida en la Tierra data de hace 3.800 millones de años. Sin embargo, existen muchas hipótesis sobre cómo se produjo esta primera aparición de vida. Una de ellas sugiere que la urea estaba en el origen. Se cree que esta pequeña molécula que contiene carbono y nitrógeno se enriqueció en charcos tibios. A medida que el agua se evaporaba gradualmente, la concentración de urea aumentaba en esta sopa primordial. Bajo el efecto ionizante de los rayos cósmicos, esta sustancia habría producido ácido malónico, que podría haber creado los componentes básicos del ARN y el ADN.
Un equipo de la Universidad de Ginebra y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich ha desarrollado un nuevo método de espectroscopía de rayos X que permite observar este tipo de reacciones químicas en líquidos con una altísima resolución temporal. Gracias a este método, los científicos pueden examinar cómo cambian las moléculas en unos pocos femtosegundos, es decir, en unas milbillonésimas de segundo. Esta técnica se basa en trabajos anteriores realizados por el mismo equipo.
Para extender sus observaciones espectroscópicas a los líquidos, que es el entorno natural de los procesos bioquímicos, los investigadores tuvieron que diseñar un dispositivo capaz de producir un chorro de líquido con un diámetro de menos de una millonésima de metro en el vacío. Esto era esencial porque si el chorro fuera más grueso, absorbería parte de los rayos X utilizados para medirlo. "Esta finísima película líquida se obtiene por la colisión de dos chorros de líquido en un ángulo muy preciso", explica Jean-Pierre Wolf, profesor titular del Departamento de Física Aplicada de la Sección de Física de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, en cuyos laboratorios este trabajo fue realizado.
"Gracias a los extraordinarios avances en las fuentes de laboratorio, que proporcionan pulsos de rayos X excepcionalmente cortos, pudimos observar la dinámica ultrarrápida en la urea solvatada", dice Zhong Yin, entonces investigador de ETH y uno de los principales experimentadores de la obra.
Gracias a esta nueva técnica, investigadores de la UNIGE y de la ETH han podido estudiar la primera etapa de la larga serie de reacciones químicas que habrían dado lugar a la aparición de la vida. En otras palabras, la forma en que reacciona una solución de urea concentrada cuando se expone a la radiación ionizante. "Las moléculas en una solución de urea concentrada se juntan en pares, llamados dímeros. Descubrimos que la radiación ionizante hace que un átomo de hidrógeno dentro de cada uno de estos dímeros se mueva de una molécula de urea a otra", explica Hans Jakob Wörner, profesor titular de la Departamento de Química y Biociencias Aplicadas de la ETH, quien codirigió el estudio.
Durante esta etapa, una de las dos moléculas del dímero se transforma en una molécula de urea protonada y la otra en un radical urea. Este último es tan reactivo químicamente que es muy probable que reaccione con otras moléculas, formando ácido malónico. Los científicos también pudieron demostrar que esta transferencia de átomos de hidrógeno ocurre extremadamente rápido, en el espacio de alrededor de 150 femtosegundos, o 150 cuadrillonésimas de segundo.
“Es tan rápida que esta reacción precede a todas las demás reacciones que teóricamente podrían ocurrir. Eso explica por qué las soluciones concentradas de urea producen radicales urea en lugar de albergar otras reacciones que producirían otras moléculas”, dice el investigador de la ETH. En el futuro, al equipo de investigación le gustaría examinar los pasos posteriores que conducen a la formación de ácido malónico.
Los resultados experimentales obtenidos fueron analizados en colaboración con investigadores de la Universidad de Hamburgo y CFEL, quienes realizaron los cálculos necesarios para interpretar los datos. Este nuevo método abre nuevas perspectivas para estudiar los orígenes de la vida y, más ampliamente, las reacciones químicas que ocurren en los líquidos. Las aplicaciones más prometedoras implicarán el desarrollo de nuevos medicamentos o nuevos materiales para capturar la energía solar de manera más eficiente.
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