Los tholins (después del griego θολός ( tholós ) "brumoso" o "fangoso"; [2] de la palabra griega antigua que significa "tinta sepia") son una amplia variedad de compuestos orgánicos formados por radiación solar ultravioleta o con rayos cósmicos de carbono simple- que contienen compuestos como el dióxido de carbono ( CO
2), metano ( CH
4) o etano ( C
2H
6), a menudo en combinación con nitrógeno ( N
2) o agua ( H
2O ). [3] [4] Las tholinas son materiales similares a polímeros desordenados hechos de cadenas repetidas de subunidades unidas y combinaciones complejas de grupos funcionales, típicamente nitrilos e hidrocarburos y sus formas degradadas como aminas y fenilos . Las tholinas no se forman naturalmente en la Tierra actual , pero se encuentran en gran abundancia en las superficies de cuerpos helados en el Sistema Solar exterior , y como aerosoles rojizos en las atmósferas de los planetas y lunas exteriores del Sistema Solar.
En presencia de agua, las tolinas podrían ser materias primas para la química prebiótica (es decir, la química no viviente que forma las sustancias químicas básicas de las que está hecha la vida). Su existencia tiene implicaciones para los orígenes de la vida en la Tierra y posiblemente en otros planetas. Como partículas en una atmósfera, las tolinas dispersan la luz y pueden afectar la habitabilidad .
Las tholinas se pueden producir en un laboratorio y, por lo general, se estudian como una mezcla heterogénea de muchas sustancias químicas con muchas estructuras y propiedades diferentes. Utilizando técnicas como el análisis termogravimétrico , los astroquímicos analizan la composición de estas mezclas de tholin y el carácter exacto de las sustancias químicas individuales que contienen. [5]
Descripción general
El término "tholin" fue acuñado por el astrónomo Carl Sagan y su colega Bishun Khare para describir las sustancias difíciles de caracterizar que obtuvieron en sus experimentos tipo Miller-Urey sobre las mezclas de gases que contienen metano, como las que se encuentran en la atmósfera de Titán. [2] Su artículo proponiendo el nombre "tholin" decía:
Durante la última década, hemos estado produciendo en nuestro laboratorio una variedad de sólidos orgánicos complejos a partir de mezclas de gases cósmicamente abundantes CH
4, C
2H
6, NH
3, H
2O , HCHO y H
2S . El producto, sintetizado por luz ultravioleta (UV) o descarga de chispas, es un residuo marrón, a veces pegajoso, que se ha denominado, debido a su resistencia a la química analítica convencional, "polímero intratable". [...] Proponemos, como término descriptivo sin modelo, 'tholins' (Gk ϴὸλος, fangoso; pero también ϴoλòς, bóveda o cúpula), aunque la frase 'star-tar' nos tentó. [4] [2]
Las tholinas no son un compuesto específico, sino que describen un espectro de moléculas, incluidos los heteropolímeros , [6] [7] que dan una superficie orgánica rojiza que cubre ciertas superficies planetarias. Las tholinas son materiales similares a polímeros desordenados hechos de cadenas repetidas de subunidades unidas y combinaciones complejas de grupos funcionales. [8] Sagan y Khare señalan que "Las propiedades de las tolinas dependerán de la fuente de energía utilizada y de las abundancias iniciales de precursores, pero es evidente una similitud física y química general entre las diversas tolinas". [2]
Algunos investigadores en el campo prefieren una definición restringida de tholins, por ejemplo S. Hörst escribió: "Personalmente, trato de usar la palabra 'tholins' solo cuando describo las muestras producidas en laboratorio, en parte porque realmente no sabemos todavía cómo similar el material que producimos en el laboratorio es el material que se encuentra en lugares como Titán o Tritón (¡o Plutón!) ". [4] Los investigadores franceses también usan el término tholins solo cuando describen las muestras producidas en laboratorio como análogos. [9] Los científicos de la NASA también prefieren la palabra 'tholin' para los productos de simulaciones de laboratorio, y usan el término 'residuos refractarios' para observaciones reales de cuerpos astronómicos. [8]
Formación
Las tholinas pueden ser un componente importante del medio interestelar . [2] En Titán, su química se inicia a gran altura y participa en la formación de partículas orgánicas sólidas. [9] Sus elementos clave son el carbono, el nitrógeno y el hidrógeno. El análisis de espectroscopía infrarroja de laboratorio de tolinas sintetizadas experimentalmente ha confirmado identificaciones anteriores de grupos químicos presentes, incluidas aminas primarias , nitrilos y porciones de alquilo como el CH.
2/ CH
3formando sólidos macromoleculares desordenados complejos. Las pruebas de laboratorio generaron sólidos complejos formados por la exposición de N
2: CH
4mezclas gaseosas a descargas eléctricas en condiciones de plasma frío, que recuerda al famoso experimento de Miller-Urey realizado en 1952. [10]
Como se ilustra a la derecha, se cree que las tolinas se forman en la naturaleza a través de una cadena de reacciones químicas conocidas como pirólisis y radiólisis . Esto comienza con la disociación e ionización del nitrógeno molecular ( N
2) y metano ( CH
4) por partículas energéticas y radiación solar. A esto le sigue la formación de etileno , etano , acetileno , cianuro de hidrógeno y otras pequeñas moléculas simples y pequeños iones positivos. Otras reacciones forman benceno y otras moléculas orgánicas, y su polimerización conduce a la formación de un aerosol de moléculas más pesadas, que luego se condensan y precipitan en la superficie planetaria debajo. [11] Las tolinas formadas a baja presión tienden a contener átomos de nitrógeno en el interior de sus moléculas, mientras que las tolinas formadas a alta presión tienen más probabilidades de tener átomos de nitrógeno ubicados en posiciones terminales. [12] [13]
Estas sustancias derivadas de la atmósfera son distintas del ice tholin II , que en cambio se forman por irradiación ( radiólisis ) de clatratos de agua y compuestos orgánicos como el metano ( CH
4) o etano ( C
2H
6). [3] [14] La síntesis inducida por radiación en el hielo no depende de la temperatura. [3]
Importancia biológica
Algunos investigadores han especulado que la Tierra pudo haber sido sembrada por compuestos orgánicos temprano en su desarrollo por cometas ricos en tholin, proporcionando la materia prima necesaria para que la vida se desarrolle [2] [3] (ver el experimento de Miller-Urey para una discusión relacionada con esto) . Los tholins no existen de forma natural en la Tierra actual debido a las propiedades oxidantes del componente de oxígeno libre de su atmósfera desde el Gran Evento de Oxigenación hace unos 2.400 millones de años. [15]
Los experimentos de laboratorio [16] sugieren que los tholins cerca de grandes charcos de agua líquida que podrían persistir durante miles de años podrían facilitar la formación de la química prebiótica, [17] [4] y tiene implicaciones en los orígenes de la vida en la Tierra y posiblemente otros planetas. [4] [15] Además, como partículas en la atmósfera de un exoplaneta , las tolinas afectan la dispersión de la luz y actúan como una pantalla para proteger las superficies planetarias de la radiación ultravioleta , lo que afecta la habitabilidad . [4] [18] Las simulaciones de laboratorio encontraron residuos derivados relacionados con aminoácidos y urea , con importantes implicaciones astrobiológicas . [15] [16] [19]
En la Tierra, una amplia variedad de bacterias del suelo pueden utilizar tolinas producidas en laboratorio como su única fuente de carbono. Las tholinas podrían haber sido el primer alimento microbiano para microorganismos heterótrofos antes de que evolucionara la autotrofia . [20]
Ocurrencia
Sagan y Khare notan la presencia de tholins en múltiples ubicaciones: "como un componente de los océanos primitivos de la Tierra y, por lo tanto, relevante para el origen de la vida ; como un componente de aerosoles rojos en las atmósferas de los planetas exteriores y Titán; presente en los cometas , condritas carbonáceas, asteroides y nebulosas solares preplanetarias; y como un componente principal del medio interestelar ". [2] Las superficies de cometas, centauros y muchas lunas heladas y objetos del cinturón de Kuiper en el Sistema Solar exterior son ricas en depósitos de tholins. [21]
Lunas
Titán
Las tolinas de Titán son sustancias orgánicas ricas en nitrógeno [22] [23] producidas por la irradiación de las mezclas gaseosas de nitrógeno y metano que se encuentran en la atmósfera y la superficie de Titán. La atmósfera de Titán está compuesta por un 97% de nitrógeno, un 2,7 ± 0,1% de metano y las trazas restantes de otros gases. [24] En el caso de Titán, se cree que la neblina y el color rojo anaranjado de su atmósfera son causados por la presencia de tholins. [11]
Europa
Se cree que las regiones coloreadas del satélite Europa de Júpiter son tholins. [17] [25] [26] [27] La morfología de los cráteres y crestas de impacto de Europa sugiere material fluidizado que brota de las fracturas donde tienen lugar la pirólisis y la radiólisis . Para generar tolinas coloreadas en Europa debe haber una fuente de materiales (carbono, nitrógeno y agua) y una fuente de energía para que ocurran las reacciones. Se presume que las impurezas en la corteza de agua helada de Europa emergen del interior como eventos criovolcánicos que resurgen el cuerpo y se acumulan desde el espacio como polvo interplanetario. [17]
ñandú
Se cree que las extensas áreas oscuras en el hemisferio final de la luna Rea de Saturno son tholins depositados. [14]
Tritón
Se observa que la luna de Neptuno, Tritón, tiene el color rojizo característico de los tholins. [22] La atmósfera de Tritón es principalmente nitrógeno, con trazas de metano y monóxido de carbono. [28] [29]
Planetas enanos
Plutón
Los tholins se encuentran en el planeta enano Plutón [30] y son responsables de los colores rojos [31] , así como del tinte azul de la atmósfera de Plutón . [32] Se cree que la capa de color marrón rojizo del polo norte de Caronte , la mayor de las cinco lunas de Plutón , está compuesta de tolinas, producidas a partir de metano, nitrógeno y gases relacionados liberados de la atmósfera de Plutón y transferidos a más de 19.000 km (12.000 millas) de distancia a la luna en órbita. [33] [34] [35]
Ceres
Los tholins fueron detectados en el planeta enano Ceres por la misión Dawn . [36] [37] La mayor parte de la superficie del planeta es extremadamente rica en carbono, con aproximadamente un 20% de carbono en masa en su superficie cercana. [38] [39] El contenido de carbono es más de cinco veces mayor que en los meteoritos de condrita carbonosa analizados en la Tierra. [39]
Makemake
Makemake exhibe metano , grandes cantidades de etano y tolinas, así como también pueden estar presentes cantidades más pequeñas de etileno , acetileno y alcanos de gran masa , muy probablemente creados por fotólisis de metano por radiación solar. [40] [41] [42]
Objetos del cinturón de Kuiper y centauros
El color rojizo típico de los tholins es característico de muchos objetos transneptunianos , incluidos los plutinos del Sistema Solar exterior, como 28978 Ixion . [43] Las reflectancias espectrales de los centauros también sugieren la presencia de tholins en sus superficies. [44] [45] [46] La exploración de New Horizons del objeto clásico del cinturón de Kuiper 486958 Arrokoth reveló un color rojizo en su superficie, sugerente de tholins. [8] [47]
Cometas y asteroides
Los tholins fueron detectados in situ por la misión Rosetta al cometa 67P / Churyumov – Gerasimenko . [48] [49] Las tholinas no son típicamente características de los asteroides del cinturón principal, pero se han detectado en el asteroide 24 Themis . [50] [51]
Tholins más allá del sistema solar
También se podrían haber detectado tholins en el sistema estelar de la joven estrella HR 4796A utilizando la cámara de infrarrojo cercano y el espectrómetro de objetos múltiples (NICMOS) a bordo del telescopio espacial Hubble. [52] El sistema HR 4796 está aproximadamente a 220 años luz de la Tierra. [53]
Los modelos muestran que incluso cuando están lejos de la radiación ultravioleta de una estrella, las dosis de rayos cósmicos pueden ser completamente suficientes para convertir granos de hielo que contienen carbono por completo en compuestos orgánicos complejos en menos de la vida útil de una nube interestelar típica . [3]
Ver también
- Abiogénesis : proceso natural por el cual la vida surge de la materia no viva.
- Asfaltenos : sustancias moleculares orgánicas pesadas que se encuentran en el petróleo crudo
- Hemolitina : proteína que se dice que es de origen extraterrestre
- Kerógeno : materia orgánica sólida en rocas sedimentarias
- Hipótesis mundial PAH - Hipótesis sobre el origen de la vida
- Pseudopanspermia
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