El hallazgo de firmas biológicas en el aire, a bordo de un helicóptero, utilizando un dispositivo ultrasensible que se conoce como FlyPol, puede parecer ciencia-ficción, pero si nos adentramos en las propiedades de la quiralidad, lo vamos a entender rápidamente.
El ejemplo más conocido de imágenes especulares, casi perfectas entre sí, son la mano izquierda y la mano derecha. Cualquiera que sea la forma que adoptemos con ellas, retorciéndolas o girándolas, es imposible que se superpongan. En la jerga científica, a este hecho se le denomina quiralidad.
Viene del término quiral, introducido por el físico y matemático británico William Thomson en 1894 para designar objetos que no son superponibles con su imagen especular.
Valgan estos conocimientos científicos básicos como introducción al descubrimiento que han protagonizado investigadores de diversos países, dirigidos por Jonas Kühn, de la Universidad suiza de Berna.
Este equipo, del que también forma parte el Centro Nacional de Competencia en Investigación NCCR PlanetS, ha conseguido detectar una firma biológica desde una distancia de dos kilómetros y a una velocidad de 70 km/hora. El experimento forma parte del proyecto MERMOZ.
Jonas Kühn, director del proyecto MERMOZ de la Universidad de Berna y coautor del estudio que aparece en Astronomy and Astrophysics, asegura que “el avance significativo es que estas mediciones se han realizado en una plataforma en movimiento, vibrando y que detectamos estas biofirmas en cuestión de segundos”.
Firmas biológicas
El proyecto MERMOZ (monitoreo de superficies planas con caracterización polarimétrica moderna) tiene como objetivo investigar la posibilidad de identificar y caracterizar la vida de la Tierra desde el espacio, mediante la construcción de una biblioteca de referencia de firmas de características de la superficie con espectropolarimetría remota. En este marco, la Tierra se considera un proxy de otros cuerpos y exoplanetas del Sistema Solar.
MERMOZ es un proyecto en el que participan especialistas de las universidades de Berna (Suiza) y las holandesas Leiden y Delft. Su estudio de viabilidad lo financia el Centro para el Espacio y la Habitabilidad (CSH) y el NCCR PlanetS.
La quiralidad se asocia con frecuencia a la presencia de carbonos asimétricos. Un carbono asimétrico o quiral es aquel enlazado con cuatro elementos diferentes. Un ejemplo es la molécula de Bromocloroyodometano. El carbono se une a bromo, cloro, yodo e hidrógeno, cuatro sustituyentes diferentes que lo convierten en quiral. La molécula y su imagen en un espejo son diferentes, ningún giro permite superponerlas. La relación entre una molécula y su imagen especular no superponible es de enantiómeros.
Al igual que las manos son quirales, las moléculas también pueden ser quirales. De hecho, la mayoría de las moléculas de las células de los organismos vivos, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), son quirales. Sin embargo, a diferencia de las manos, que generalmente vienen en pares de izquierda y derecha, las moléculas de la vida ocurren casi exclusivamente en su versión zurda o diestra.
Como las definen los investigadores, son homoquirales. Pero todavía no está claro por qué es así. Sin embargo, estas homoquiralidades moleculares son propiedades características de la vida, denominadas firmas biológicas.
Un instrumento que reconoce la materia viva
“Cuando la luz se refleja por materia biológica, una parte de las ondas electromagnéticas de la luz viajará en espirales en sentido horario o antihorario. Este fenómeno se llama polarización circular y lo causa la homoquiralidad de la materia biológica. Las espirales de luz similares no se producen por abióticos”, detalla Lucas Patty, primer autor del estudio y miembro de NCCR PlanetS.
Si consultamos el diccionario de la RAE, la palabra abiótico figura con dos acepciones: dicho de un medio: que carece de seres vivos. Ecosistema abiótico y dicho especialmente de un factor ambiental: desprovisto de vida.
Según Patty, medir esta polarización circular es un desafío. La señal es bastante débil y normalmente representa menos del 1% de la luz que se refleja. Para conseguir esa medida, el equipo de físicos desarrolló el espectropolarímetro. Consiste en una cámara equipada con lentes especiales y receptores, capaces de separar la polarización circular del resto de la luz.
Sin embargo, incluso con este avanzado ingenio, los nuevos resultados habrían sido imposibles hasta hace poco. “Hace apenas cuatro años, podíamos detectar la señal solo desde una distancia muy cercana, alrededor de 20 centímetros, y necesitábamos observar el mismo lugar durante varios minutos para hacerlo”, recuerda Lucas Patty.
Pero las distintas mejoras que introdujeron en este instrumento ahora permiten una detección mucho más rápida y estable, y la fuerza de la firma en la polarización circular persiste incluso con la distancia. Esto hizo que fuera apto para las primeras mediciones aéreas de polarización circular.
Firmas biológicas a escala planetaria
Usando este instrumento mejorado, denominado FlyPol, demostraron que en cuestión de segundos podían diferenciar entre campos de hierba, bosques y áreas urbanas desde un helicóptero en rápido movimiento. Las mediciones muestran fácilmente materia viva que exhibe las señales de polarización características, mientras que las carreteras, por ejemplo, no ofrecen ninguna señal de polarización circular significativa. Con la configuración actual, es posible detectar señales provenientes de algas en lagos.
Después de este éxito, el siguiente paso es intentar realizar detecciones similares desde la Estación Espacial Internacional (ISS). Esto permitirá evaluar la detectabilidad de firmas biológicas a escala planetaria.
“Este paso será decisivo para permitir la búsqueda de vida dentro y más allá de nuestro Sistema Solar usando la polarización”, explica el profesor Brice Oliver Demory, miembro del equipo, coautor del proyecto MERMOZ y miembro de NCCR PlanetS.
La observación sensible de estas señales de polarización circular no solo es importante para futuras misiones de detección de vida. Como destaca Lucas Patty, “debido a que la señal se relaciona directamente con la composición molecular de la vida y, por lo tanto, con su funcionamiento, también puede ofrecer información complementaria valiosa en la teledetección de la Tierra”.
Por ejemplo, puede proporcionar información sobre deforestación o enfermedades de las plantas. Incluso podría ser posible implementar la polarización circular en el monitoreo de la proliferación de algas tóxicas, de los arrecifes de coral y los efectos de la acidificación en los mismos.
NCCR PlanetS: investigación planetaria realizada en Suiza
En 2014, la Swiss National Science Foundation otorgó a la Universidad de Berna el Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) PlanetS, que gestiona junto con la Universidad de Ginebra.
Desde su participación en el primer alunizaje en 1969, la Universidad de Berna ha colaborado en misiones espaciales de las principales organizaciones espaciales, como ESA, NASA, ROSCOSMOS y JAXA. Actualmente, codirige la misión CHEOPS de la Agencia Espacial Europea (ESA), junto con la Universidad de Ginebra. Además, los investigadores de Berna se encuentran entre los líderes mundiales en lo que respecta a modelos y simulaciones de la formación y desarrollo de planetas.
Con el descubrimiento del primer exoplaneta, la Universidad de Ginebra se posicionó como una de las instituciones líderes en el campo. Esto llevó, por ejemplo, a la construcción e instalación del espectrógrafo HARPS en el telescopio de 3,6 metros de ESO en La Silla (desierto de Atacama, Chile), en 2003, bajo el liderazgo de Ginebra. A esto le siguió el instrumento ESPRESSO en el telescopio VLT de ESO en Paranal. El Centro de operaciones científicas de la misión CHEOPS también se encuentra en Ginebra.
ETH Zurich y la Universidad de Zurich también son instituciones asociadas en NCCR PlanetS. A esto hay que añadir que ETH es líder mundial en instrumentación para varios observatorios y misiones espaciales.
Cuando el astronauta estadounidense Buzz Aldrin salió del módulo lunar el 21 de julio de 1969, la primera tarea que hizo fue preparar el experimento de composición del viento solar de Berna (SWC), también conocido como vela de viento solar por haberlo plantado en el suelo de la Luna, incluso antes de la bandera estadounidense.
Este experimento, planificado y analizado por el profesor Johannes Geiss, fue el primer gran hito en la historia de la exploración espacial de la Universidad de Berna.
