Un mundo hicéano cálido podría tener una biosfera más compleja a una edad relativamente joven
Podría existir un tipo de exoplaneta sin tierra firme. Son los llamados mundos "hicéanos", una combinación de las palabras "hidrógeno" y "océano". Están mayoritariamente o totalmente cubiertos por océanos y tienen espesas atmósferas de hidrógeno.
Son fascinantes porque sus atmósferas los mantienen lo suficientemente cálidos como para tener agua líquida fuera de las zonas habitables tradicionales. Si existen, los científicos creen que son buenos candidatos para sustentar la vida microbiana.
Los mundos hicéanos son hipotéticos, pero hay algunas pruebas de que existen. La misión Kepler detectó muchos candidatos y proporcionó pruebas fundamentales de su existencia. Sin embargo, no detectó ninguno con certeza.
Más recientemente, las observaciones del telescopio James Webb (JWST) también respaldaron la idea. El telescopio espacial detectó dióxido de carbono y metano en la atmósfera de un posible mundo hicéano llamado K2-18b. Ambas moléculas pueden ser biofirmas de vida microbiana en condiciones similares a las de los océanos de la Tierra.
Una nueva investigación examina el potencial que tienen los mundos hicéanos para la evolución de la vida y cómo la vida podría depender de las condiciones termodinámicas de estos mundos. Los autores son Emily G Mitchell y Nikku Madhusudhan, ambos de la Universidad de Cambridge.
Vídeo: Los exoplanetas como K2-18 b, que tienen tamaños entre los de la Tierra y Neptuno, no se parecen a nada de nuestro Sistema Solar.
"La búsqueda de vida extraterrestre es una de las misiones más fundamentales de la historia de la humanidad", escriben los autores. "Un reciente e importante avance en esta dirección es la posibilidad de que existan mundos hicéanos, que aumentan tanto el número de planetas potencialmente habitables como la capacidad de detectar biofirmas en sus atmósferas".
Las investigaciones muestran que los mundos hicéanos pueden proporcionar las condiciones químicas y termodinámicas necesarias para que la vida microbiana persista en sus océanos. En esta investigación, los autores utilizaron la teoría metabólica de la ecología (MTE) para explorar cómo la vida simple podría evolucionar en los mundos hicéanos bajo diferentes condiciones de temperatura.
En términos simples, MTE dice que la tasa metabólica de un organismo es fundamental para su capacidad de persistir y prosperar. Se aplica a los procesos individuales y a los procesos comunitarios y poblacionales. Una idea clave detrás de la MTE es que la temperatura influye fuertemente en las tasas metabólicas.
Estudios previos muestran que cuando aumentan las temperaturas en un entorno habitable, la actividad biológica aumenta hasta cierto punto. En esta investigación, Mitchell y Madhusudhan investigan cómo las temperaturas de la superficie del océano afectan a la vida unicelular similar a la de la Tierra y cuánto tiempo tarda en originarse en los mundos hicéanos. También exploran cómo las diferentes temperaturas afectan la detectabilidad de las biofirmas.
"Este trabajo, a su vez, tiene consecuencias observables para las biofirmas prominentes en dichos planetas, considerando que el fitoplancton unicelular es una fuente importante de biomarcadores clave en la atmósfera de la Tierra, como el sulfuro de dimetilo, que puede observarse en las atmósferas hicéanas", escriben los investigadores en su artículo.
El sulfuro de dimetilo está fuertemente vinculado al fitoplancton y tiene una firma espectral única que el JWST puede detectar en atmósferas de exoplanetas.
Imagen: Los productos químicos que el JWST detectó en la atmósfera de K2-18b. Además de las moléculas que contienen carbono, metano y dióxido de carbono, detectó la posible biofirma del sulfuro de dimetilo. Crédito: JWST/STScI
Los investigadores se centraron en varios grupos clave de fitoplancton que son abundantes en la Tierra y producen gases de biofirma en su atmósfera. Entre ellas se encuentran las cianobacterias (algas verdeazuladas), las metanococcáceas (un metanógeno) y las diatomeas, que cada año generan hasta el 50% del oxígeno de la Tierra. Se prestó especial atención a las aquificotas.
Aquificota es un filo de bacterias que recibe su nombre de un antiguo género del grupo Aquifix. Sus miembros se encuentran en agua dulce y océanos y pueden producir agua mediante la oxidación del hidrógeno.
"Para ilustrar cómo cambian las tasas evolutivas con la temperatura en escalas de tiempo planetarias, hemos calculado las tasas evolutivas de un organismo de ejemplo (Aquifix) a lo largo de los últimos 4.300 millones de años", afirma el artículo. Utilizaron Aquifix porque es un fuerte análogo de algunas de las primeras formas de vida de la Tierra.
Los investigadores demostraron que incluso cambios marginales en la temperatura de la superficie del océano de la Tierra en comparación con la temperatura de la superficie a lo largo de escalas de tiempo evolutivas cambian significativamente el tiempo de origen y las tasas evolutivas de importantes especies de vida simple. "Por ejemplo, un aumento de 10 K con respecto a la Tierra conduce a tasas evolutivas que son más del doble de rápidas, mientras que una disminución de 10 K las reduce a la mitad", explican los autores.
Descubrieron que los océanos más cálidos pueden acelerar el ritmo de la evolución, lo que permite que grupos unicelulares clave como las arqueas y las bacterias aparezcan tan pronto como 1.300 millones de años después del origen de la vida. Esto indica que las temperaturas más altas impulsan una progresión más rápida hacia la vida compleja.
"Este aumento de la tasa tiene un significativo impacto en los tiempos de origen de los grupos unicelulares, de modo que para un aumento de 10 K de la temperatura superficial, todos los grupos principales se habrán originado 1,19 mil millones de años después del Origen de la Vida (OlL) y todos los grupos clave del fitoplancton 1,28 mil millones de años", escriben los autores.
Imagen derecha: Representación artística de la vista del mundo hicéano. Crédito: Pablo Carlos Budassi – Own work, CC BY-SA 4.0,
Lo contrario también es cierto. Los investigadores descubrieron que las temperaturas más frías retrasan la aparición de formas de vida clave hasta varios miles de millones de años. Eso podría significar que la vida compleja tarda más en aparecer.
"Por el contrario, una disminución de 10 K de la temperatura superficial media limita severamente las tasas de origen, de modo que hacia 4 mil millones de años después del OlL, solo las bacterias y las arqueas habrán evolucionado, pero no la fotosíntesis oxigénica ni los eucariotas", escriben los autores.
En ese caso, también afectaría la apariencia de las biofirmas observables, así como su intensidad y facilidad de detección.
Uno de sus hallazgos centrales es que sólo una gama marginal de condiciones ambientales permite una gran variedad de tasas evolutivas y tiempos de origen. "En primer lugar, dada la amplia gama de posibles condiciones atmosféricas en los mundos hicéanos, se podría esperar una diversidad igualmente amplia en la vida microbiana", escriben. "En particular, el origen de nuevos clados en mundos hicéanos cálidos puede ocurrir significativamente más rápido que en la Tierra".
Si existen mundos hicéanos, esta investigación sugiere que podrían estar "repletos de vida", como dijo Carl Sagan, en escalas de tiempo más cortas que la Tierra.
Se cree que los mundos hicéanos candidatos que conocemos tienen océanos más cálidos que la Tierra. Por lo tanto, por extensión, el mundo hicéano candidato K2-18 b, que tiene solo 2.400 millones de años, podría tener las condiciones necesarias para el origen y el mantenimiento de grupos unicelulares clave. Eso significa que este y otros similares son buenos objetivos en la búsqueda de biofirmas.
Imagen: En esta ilustración, el parasol de múltiples capas del telescopio espacial James Webb de la NASA se extiende debajo del espejo en forma de panal del observatorio. Crédito: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
Los autores hacen algunas salvedades a sus resultados. Consideraron solo un rango bastante estrecho de temperaturas y condiciones físicas basadas en la Tierra. En realidad, los planetas extraterrestres habitables podrían exhibir un rango mucho más amplio. "Los futuros trabajos en esta dirección podrían explorar una variedad de otras condiciones, incluido el efecto de la gravedad, la presión, mayores variaciones de temperatura y otros factores ambientales", escriben los investigadores en su conclusión.
No sabemos si los mundos hicéanos son reales. Algunos científicos creen que sus atmósferas ricas en hidrógeno podrían ser inestables. También existe la preocupación de que la exposición a la radiación inhiba la vida y que la química atmosférica actúe en contra de los procesos bioquímicos. Los mecanismos de formación de estos mundos tampoco están claros, como tampoco lo están los mecanismos para generar y mantener sus atmósferas.
Sin embargo, si existen, este estudio deja una cosa clara: para diferentes temperaturas superficiales, un planeta cálido podría tener una biosfera más compleja a una edad relativamente joven, y uno más frío podría tener una biosfera más simple a una edad más avanzada.
Al final, no viajaremos a ninguno de estos mundos, por lo que detectar biofirmas es el objetivo del juego.
"Estas biosferas con distintos niveles de complejidad pueden afectar la detectabilidad de la vida en ellas, de modo que los planetas más cálidos tienen el potencial de mostrar fuertes biofirmas atmosféricas", concluyen los investigadores.
La investigación ha sido publicada en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Prospects for Biological Evolution on Hycean Worlds
