Introducción

Cuando conjuntamos conocimientos de varias ramas de la ciencia, podemos llegar con frecuencia a conclusiones sorprendentes, difíciles de concebir por otros medios. En este artículo haré un ejercicio de este estilo y juntos conoceremos el resultado.

Bioquímica y cosmogonía

La biología contemporánea, en particular la bioquímica, ha puesto en claro que los organismos vivos están constituidos por una variedad de elementos químicos. Entre ellos hay un grupo reducido que son mayoritarios en cantidad, éstos son: el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el nitrógeno (N), o brevemente y como regla nemotécnica: CHON. Además, existen otros elementos en mucho menor cantidad que son también esenciales para los organismos vivos y que hacen posible que se dé el fenómeno asombroso que llamamos "vida". Entre ellos podemos mencionar, utilizando sus símbolos químicos: Na, K, Ca, Mn, Mg, S, P, Si, Cr, Fe, Cu, Zn, F, Cl, I, Mo y otros más.

Debe aclararse que la mayoría se encuentran como iones y no como elementos, puesto que en muchos casos estos últimos son muy reactivos. Por ejemplo, los elementos de la familia de los metales alcalinos, como el Na y el K, son explosivos al contacto con el agua. Obviamente, no es de esta forma química como intervienen en la bioquímica celular, sino como iones (o cationes, para darles su nombre más específico) Na⁺ y K⁺. Lo mismo puede decirse de algunos elementos que dan origen a iones de signo contrario (aniones), como por ejemplo el flúor (F). Éste es el elemento más reactivo de todos, es un gas sumamente irritante y su inhalación representa un peligro. El ión F ^-, llamado fluoruro, ha perdido esa reactividad, es soluble en el agua y es fundamental para la fisiología celular, principalmente para utilizarse en dientes y huesos.

Ahora vayamos a otra rama de la ciencia: la cosmogonía, que es la rama de la astronomía que estudia el comportamiento evolutivo del universo y el origen de sus rasgos característicos. De acuerdo a esta ciencia el universo tuvo un principio, el cual se ubica hace 13±2 miles de millones de años. Es decir, hay incertidumbre en cuanto al tiempo preciso, pero existe una altísima probabilidad de que haya acontecido en el intervalo de tiempo entre hace 11 y 15 mil millones de años, ocurriendo la mayor probabilidad en las cercanías de los 13 mil millones de años.

La teoría que mejor explica este evento es conocida como la de la "Gran Explosión" (o Big Bang en inglés). En ella también se establece que a los 4 minutos de haber surgido nuestro universo en expansión vertiginosa, su composición química era de 76% de hidrógeno (H, con número atómico uno), 24% de helio (He, con número atómico dos) y cantidades insignificantes de litio (Li, con número atómico tres). El número atómico indica cuántos protones tiene el núcleo de los átomos de cada elemento.

Figura 1. Línea del tiempo para la historia de la vida del Universo

No había ningún otro elemento. Solamente se habían ocupado las primeras dos posiciones, si acaso tres, de la tabla de la clasificación periódica de los elementos. Con esta materia prima la química era, evidentemente, bastante limitada. No se contaba con suficiente variedad (elementos químicos diversos) para constituir sistemas tan complejos como la vida.

¿De dónde surgieron entonces el C, el N, el O, el Cu, el Zn y tantos otros elementos con número atómico superior a tres y que, como ya vimos, son constituyentes indispensables de un sistema vivo? La cosmogonía responde claramente a esta pregunta, apoyada en la física nuclear, como lo veremos a continuación.

Física nuclear y cosmogonía

La explicación que ofrece la cosmogonía sobre el origen de los demás elementos hace intervenir a las estrellas, las cuales según su masa fueron produciendo en el curso de su evolución (o vida) los diferentes elementos más pesados que el H y el He.

Las condiciones estelares son tales que favorecen la realización de las diversas reacciones nucleares que van formando los demás elementos de la tabla de la clasificación periódica que hoy conocemos.

Debido a su altísima temperatura (por ejemplo, en la superficie de nuestro Sol la temperatura está entre 4 700 y 6 000 K y en su centro a 20 millones K) cada estrella es una enorme esfera de plasma. El plasma es el estado de la materia que se caracteriza por tener los núcleos atómicos desprovistos de todos sus electrones periféricos y agitándose a grandes velocidades, al igual que los electrones.

Bajo estas condiciones es posible que los núcleos choquen entre sí a pesar de que existen fuerzas repulsivas entre ellos (porque todos tienen carga positiva). A temperaturas inferiores, con una menor agitación térmica, no son posibles las reacciones nucleares. Los núcleos estarían acompañados de sus electrones y simplemente no se tocarían entre ellos, se desviarían por las fuerzas repulsivas entre cargas del mismo signo (negativa, de sus respectivos electrones periféricos). Sin embargo, a altas temperaturas los núcleos sí se tocan, chocan y se fusionan entre sí, como dos gotitas de agua que chocan y forman una gota más grande. Éstas son las reacciones nucleares de fusión que dan origen al proceso de nucleosíntesis, es decir, a la síntesis de nuevos núcleos, de nuevos elementos (más pesados). 

Para una estrella como nuestro Sol, por nucleosíntesis y partiendo de la mezcla de H y He, podría llegarse hasta la formación de carbono y oxígeno. Se requieren estrellas de mayor masa para generar durante su evolución otros elementos más pesados. Y todavía otros más (diferentes) se sintetizan en las etapas finales de la vida de estas estrellas más masivas que el Sol, durante procesos explosivos de una violencia inimaginable.

El material producido por nucleosíntesis en las estrellas alcanza a dispersarse por el espacio, en particular el que se deriva de aquellas estrellas que son masivas con una muerte explosiva y furiosa.

En resumen, la mezcla de H y He del universo inicial ha ido cambiando lentamente gracias a la formación de las estrellas de masa semejante o mayor a la de nuestro Sol. En la actualidad la composición química del universo es de 75% de hidrógeno, 23% de helio y un 2% de todos los demás elementos químicos. Lentamente, el espacio del universo se ha enriquecido sutilmente de aquellos elementos más pesados que el H y el He, en particular de C, O y N, y también de otros que son esenciales para el desarrollo de la vida.

Ese material enriquecido en elementos más pesados que el H y el He se dispersará y, bajo las condiciones apropiadas, puede formarse una nebulosa solar, encenderse un protosol por las reacciones nucleares entre el H y el He y forjar un sol. Quizás, también se formen planetas para constituir un sistema estelar planetario, acaso con características semejantes al nuestro. Pero esta historia de la formación del Sistema Solar Planetario y de la Tierra debe contarse, con más detalle, en otro número de Correo del Maestro.

Física estelar y el surgimiento de la vida

En los párrafos anteriores implícitamente he clasificado a las estrellas de acuerdo a su masa en dos clases: aquellas de masa semejante al Sol, y las de mayor masa. No puede haber estrellas mucho más pequeñas que el Sol; si la masa de éste hubiera sido inferior por sólo un 9%, no se hubieran alcanzado las temperaturas requeridas para iniciar las reacciones nucleares de fusión, no habría sol y nosotros no estaríamos aquí para contarlo.

Sucede que de acuerdo a la magnitud de su masa será la duración de una estrella o, por decirlo de otra forma, "la duración de su vida" (puesto que una estrella surge, quema o usa su combustible en reacciones nucleares de fusión, éste tarde o temprano se acaba, y por lo tanto, sin más combustible, el astro se apaga o muere).

Todas las estrellas inician su combustión con la mezcla primigenia de H y He. Las estrellas masivas consumen su combustible mucho más rápido que las estrellas con masa semejante al Sol. De hecho, la consumen mil veces más rápido. Esto hace una gran diferencia. En efecto, gracias a las estrellas masivas fue posible la síntesis de elementos de mayor número atómico. Esto a la vez introduce una variabilidad mucho más amplia en la química, lo que seguramente hace más factible el surgimiento de la vida. Sin embargo, aunque apropiadas para producir elementos diversos, las estrellas masivas tienen una vida demasiado corta para servir de fuente luminosa y energética a posibles planetas que las circunden y que pudieran ser cuna de la vida.

Por otra parte, las estrellas más pequeñas, como nuestro Sol, sólo producen elementos livianos como el carbono y el oxígeno, y quizás de esa manera el surgimiento de la vida sería menos factible o tal vez imposible porque no se alcanzaría suficiente complejidad y variedad de funciones químicas. No obstante, por su larga vida, estas estrellas de menor masa sí pueden ser una fuente confiable de luz y energía por un tiempo suficientemente largo a planetas que pudieran presentar las condiciones necesarias para el surgimiento de la vida. Nuestro Sol se encuentra a la mitad de su vida (su duración total será de aproximadamente 10 mil millones de años).

Para decirlo de manera sencilla, existe una especie de complementación de funciones, para los propósitos del origen de la vida en el universo, entre ambos tipos de estrellas.

Fig. 2 Re presentación es quemática de distintos eventos en la historia del Universo. Suponiendo una edad total de 13 millones de años. (Si suponemos una edad de 15 millones de años, los prcentajes cabian respectivamente a 11.16%, 37.4% y 70%).

En nuestro Sistema Solar Planetario, nosotros, en la Tierra, hemos podido verificar la existencia de una gran variedad de elementos, los hemos identificado y construido una tabla de clasificación periódica. Ahora sabemos que estos elementos, de los cuales están hechos la Tierra y todos sus habitantes, fueron creados en generaciones anteriores de estrellas, a partir de sus restos o cenizas. La nebulosa solar que dio origen al Sistema Solar Planetario debía contener ya esos elementos más pesados, vestigios de estrellas que brillaron antes que nuestro Sol.

Conclusiones

Después de haber sobrevolado por la cosmogonía, la física nuclear y la bioquímica podemos hacer al menos una inferencia que tiene que ver con el título de este artículo.

El surgimiento de la vida en el universo no podía ser un evento temprano en su historia. Debían tenerse los elementos químicos apropiados, los cuales surgieron tras una larga sucesión de acontecimientos. Debía esperarse primero a que se formaran las primeras estrellas, quizás mil millones de años después de la Gran Explosión. Luego, a que éstas ardieran en reacciones nucleares de fusión. Las estrellas masivas tardan en consumirse unos 10 millones de años. Al menos una generación de estas estrellas tuvo que quemarse para comenzar a dispersar nuevos elementos al vacío interestelar. Después, debía surgir un sistema estelar planetario enriquecido en los nuevos elementos y que contuviera una estrella pequeña como nuestro Sol, para poder proporcionar un aporte de energía luminosa suficientemente prolongado y constante (el Sol comenzó a prenderse en reacciones nucleares de fusión hace 4 600 millones de años). La vida surge en la Tierra (como vida unicelular procarionte) a los 730 millones de años de haber surgido nuestro Sistema Solar Planetario, y sólo 4 600 millones de años después, la vida adopta, entre otras múltiples formas de vida, la forma humana.

Tomando en cuenta estos números, suponiendo como duración del universo 13 000 millones de años y considerando una historia semejante en duración a la de la Tierra, una vida unicelular pudo haber surgido en algún lugar del universo aproximadamente a los 1 740 millones de años (1 000+10+730 millones de años) a partir de la Gran Explosión. Dicho de otra forma, después de un tiempo igual al 13.4% de la edad actual de universo.

El surgimiento de vida inteligente como la nuestra (así calificada por nosotros) habría tomado mucho más tiempo: 5 610 millones de años (1 000+10+4 600 millones de años). Es decir, podría haber aparecido después de un tiempo igual al 43% de la edad actual del universo, no antes, no más temprano.

Tomando en consideración esto, el florecimiento de nuestra humanidad ha sido tardío, muy tardío en la historia del universo. Nosotros existimos en la punta del tiempo, en la punta de la edad actual del universo. Ha habido tiempo de sobra (un 57% de la edad actual) para que florezca la vida inteligente en otros rincones de éste. De hecho apenas cuando se estaba formando nuestro Sistema Solar Planetario ya podían existir brotes de vida inteligente en el universo (fig. 2).

Otro aspecto que no deja de impresionarme profundamente cuando evoco este escenario, es la violencia inimaginable y las temperaturas enormes por las que tuvieron que pasar todos y cada uno de los elementos que me constituyen, que nos constituyen; para ser lanzada finalmente esa materia al frío y negro vacío del espacio interestelar... a la espera de un nuevo comienzo.