L’aigua oxigenada com a solvent biològic de microorganismes marcians

Cosmobiologia: Dirk Schulze-Makuch i Joop Houtkooper s'han guanyat titulars a la premsa mundial (alguns d'ells, una mica confusos) arran de la presentació titulada "Life on Mars? – Reinterpretation of the Viking Life Detection Experiments: A Possible Biogenic Origin of Hydrogen Peroxide", que va fer Schulze-Makuch a la reunió de l'American Astronomical Society (AAS) a Seattle, a començaments d'aquesta setmana. Els experiments de les dues Viking, sotmesos a polèmiques ja llavors i de forma intermitent en aquests trenta anys, són, ens agradi o no, l'únic treball biològic que s'hi ha fet a Mart sobre el terreny. Les retallades pressupostàries del projecte Viking van comportar que no s'hi col·loqués la trampa dissenyada per Wolf V. Vishniac (1922-73), i que tot es basés en una sèrie de proves metabòliques que semblaven condemnades a un únic resultat possible: inconcloents. Schulze-Makuch i Houtkooper, però, consideren que les dades de la Viking són més aprofitables avui que mai: el coneixement sobre Mart que ens ofereix l'actual etapa d'exploració, així com els avenços de la microbiologia d'ambients extrems de la Terra, permet tota una sèrie de reinterpretacions. En particular, Schulze-Makuch remarca la presència a Mart de quantitats considerables de peròxid d'hidrogen (H₂O₂). Si l'aigua (H₂O) té una concentració prou elevada de H₂O₂, serà més fàcil trobar-la en estat líquid en les condicions de temperatura i de pressió atmosfèrica de la superfície marciana. I si bé la majoria de sistemes biològics terrestres no toleren ni quantitats minses de H₂O₂ (i per això el podem fer anar com a desinfectant), també és cert que moltes cèl·lules (incloses les nostres) disposen d'enzims per degradar-lo (peroxidases, catalases), i encara n'hi ha algunes que el poden fer servir de nutrient (Acetobacter peroxidans) o com a arma de defensa (l'escarabat Brachinus).[@more@]

La presència de peròxid d'hidrogen a Mart

Estructura de les molècules del monòxid de dihidrogen (H₂O) i del diòxid de de dihidrogen (H₂O₂). L'aigua pura es composa exclusivament de H₂O. L'H₂O₂ també rep el nom de peròxid d'hidrogen. La denominació d'aigua oxigenada fa referència a les solucions aquoses de H₂O₂. A la farmaciola tenim habitualment aigua oxigenada on per cada molècula de H₂O₂ n'hi ha més de seixanta de H₂O

Si atenem a la composició de l'atmosfera marciana, amb un 96% de diòxid de carboni (CO₂), un 0,13% d'oxigen (O₂) i un 0,03% de vapor d'aigua (H₂O), hom esperaria que les reaccions químiques desencadenades per la radiació solar (reaccions fotoquímiques) donessin lloc a una sèrie de subproductes com ara ions hidrogen (H⁺ o H₃O⁺), ions hidroxil (OH^–) i monòxid de carboni (CO). Un altre subproducte hauria de ser el peròxid d'hidrogen (H₂O₂). Però si bé les quantitats de CO (0,07%) i fins i tot les de monòxid de nitrogen (NO, 0,01%) o d'ozó (O₃, 30 ppb) són mínimament apreciables, les de H₂O₂ són minses i irregulars, i fins el setembre del 2003 no s'hi obtingué una evidència directa gràcies al James Clerk Maxwell Telescope de l'Observatori de Mauna Kea a Hawaii' (Clancy et al., 2004).

Atreya et al. (2006) han proposat que la distribució de H₂O₂ ha de ser més aviat localitzada. Això es deuria a que la seva producció no és tan fotoquímica com electroquímica, associada als fenòmens elèctrics de les tempestes de sorra. Aquesta concentració localitzada, especialment vinculada al vapor d'aigua, fomenta que de seguida precipiti en forma sòlida. El H₂O₂ o alguns dels seus derivats (radicals OH, peròxids) podrien ser els responsables que no es detectin pràcticament molècules orgàniques en el sòl marcià: a mesura que la llum ultraviolada i d'altres factors generen molècules orgàniques, el peròxid d'hidrogen i d'altres molècules reactives derivades de l'oxigen les degradarien. En l'esquema d'Atreya et al., aquestes substàncies oxidants, combinades amb la radiació ultraviolada, fan del sòl marcià (si més no, de les capes més superficials) un indret hostil per la vida tal com la coneixem. Evidentment, però, ens falten peces per reconstruir el puzzle de la química atmosfèrica marciana: com és que el metà (CH₄) es troba a una concentració de 10 ppb, si l'acció d'aquests oxidants superficials constituiria un potent motor per la degradació d'aquest gas orgànic?

La proposta de Schulze-Makuch i Houtkooper

Dirk Schulze-Makuch és membre del GeoBiological Groundwater Research Group

La vida tal com la coneixem, és la vida tal com la trobem a la Terra. La microbiologia ens ha obert les portes a una visió més àmplia i més fonamental del fenomen biològic. Fins a cert punt, les criatures estudiades per la zoologia i la botànica no són més que branques recents evolucionades en el darrer miler de milions d'anys (i la vida a la Terra existeix des de fa quatre) a partir de microorganismes. Ja en els anys 1960 es posà de manifest l'existència de microorganismes metabòlicament actius fins i tot en els ambients més extrems. Aquests microorganismes són caracteritzats amb el terme, certament relatiu, d'extremòfil: i díem relatiu perquè pel microorganisme extremòfil el seu ambient és l'ambient normal i difícilment s'hi podria desenvolupar en un altre. Hi ha bacteris que poden tolerar acideses (pH < 3) o alcalinitats (pH > 9) considerables, fortes salinitats, d'altres que podem tolerar les altes pressions de la baixa litosfera, temperatures altíssimes (termòfils) o baixíssimes (psicròfils), altes dosis de radiacions, fortes concentracions de metalls pesants o una escassedat gairebé absoluta de nutrients (oligotròfics) o d'humitat (xeròfils). Però, tots, tots els microorganismes coneguts, per extremes que siguin les seves adaptacions, necessiten mantenir l'estat líquid de l'aigua intracel·lular. Així, els microorganismes xeròfils presenten mecanismes d'aïllament hídric, els organismes termòfils que poden viure a més de 100ºC només ho poden fer si la pressió ambiental és prou elevada com per impedir l'ebullició de l'aigua, i els psicròfils tenen com a limitació darrera la congelació.

Potser per això sigui en la disponibilitat d'agua líquida on coincideix la majoria (per bé que no tots) de cosmobiòlegs alhora de posar-hi un requeriment mínim. Justament, Schulze-Makuch és interessat en la interacció dels microorganismes amb el seu ambient des d'aquesta perspectiva aquosa. Per Schulze-Makuch qualsevol dels ambients rics en H₂O que trobem en el nostre Sistema Solar (i, òbviament, en qualsevol altre sistema planetari) són "hàbitats potencials per la vida microbiana". Així cita el subsòl marcià, els núvols rics en H₂O de l'atmosfera venusina, i els llacs de Tità amb un contingut variable d'età-metà i amoni-aigua. En els sistemes biològics coneguts l'aigua fa de solvent universal: en ella tenen lloc les reaccions metabòliques, en ella se sintetitzen i es degraden les proteïnes i en ella es reprodueixen, s'expressen i muten els àcids nucleics. No entrarem ara a discutir les propietats intrínseques de l'H₂O que afavoreixen aquest paper de solvent biològic de la que és la molècula heteroatòmica més abundant de l'univers. Les aportacions cosmobiològiques de Schulze-Makuch, recullides a Life in the Universe: Expectations and Constraints ens recorden, però, que bé poden haver-hi sistemes biològics on l'H₂O compti com a co-solvents amb d'altres substàncies, especialment l'amoni (NH₃) i l'H₂O₂.

L'escarabat Brachinus disposa d'una cambra especial a la regió posterior del cos on s'acumula una solució de H₂O:H₂O₂ 3:1. Aquesta solució, tolerada per les cèl·lules epitelials de la glàndula en qüestió de Brachinus la trobaríem en estat líquid tot l'any en moltes localitats marcianes.

En el nostre organismes s'hi sintetitza i es degrada contínuament H₂O₂. Apareix fonamentalment com un dels subproductes de la respiració cel·lular: si la majoria de O₂ respirat és transformat direcament a H₂O, una certa proporció és reduït de manera incompleta a O₂·^– i d'ací a H₂O₂. La toxicitat del H₂O₂ es deu fonamentalment a la seva conversió espontània a OH·, una substància que pot desencadenar una sèrie de reaccions oxidatives perjudicials per les biomolècules. Per evitar-ho, l'H₂O₂ pot ser degradat per enzims com la catalasa (que el transforma en H₂O i O₂) i la peroxidasa (que el transforma en H₂O). Alguns microorganismes, com Acetobacter peroxidans poden aprofitar aquestes reaccions de degradació del H₂O₂ per treure'n energia. D'altra banda, cèl·lules del sistema immunitari com els neutròfils, produeixen de forma controlada H₂O i O₂ com a agent bactericida. Aquest ús defensiu del H₂O i O₂ arriba a un extrem amb l'escarabat Brachinus que emet per una glàndula anal una solució aquosa que arriba a una concentració del 25% de H₂O₂.

Els sistemes biològics basats en el consum d'O₂ generen, doncs, H₂O₂, i els organismes que no el poden degradar no poden viure més que en ambients anaerobis. A Mart, però, tolerar el H₂O₂ tindria un preu afegit: l'estabilització en les baixes condicions de temperatura i pressió de Mart. En aquestes condicions, l'aigua pura es troba glaçada i, en cas de licuar-se, s'evapora ràpidament. L'aigua oxigenada (barreja, com hem dit, de H₂O i H₂O₂) pot trobar-se en estat líquid a temperatures de 220 K. I el més important, per sota d'aquesta temperatura, es glaça, però sense formar els cristalls típics del glaç d'aigua pura. Són aquests cristalls els que provoquen la destrucció cel·lular associada a la congelació. D'altra banda, les molècules de H₂O₂ retenen les de H₂O i en dificulten l'evaporació.

Sota aquestes perspectives Schulze-Makuch i Houtkooper revisen els resultats dels experiments de les Viking:

– alliberament pirolític: resultat positiu, segons el qual una mostra de sòl marcià era capaç de fixar CO₂ marcat radiactivament

– alliberament marcat: resultat positiu, segons el qual una mostra de sòl marcià era capaç de transformar molècules orgàniques marcades radiactivament en CO₂. La transformació era molt ràpida al començament, però després se'n reduïa el ritme

– intercanvi de gasos: resultat positiu, una mostra de sòl marcià era capaç de transformar la composició d'una atmosfera a la qual era exposada.

– cromatografia de gasos acoblada a expectrometria de masses: resultat negatiu, la quantitat de matèria orgànica era molt minsa i la que hi havia es podia atribuir a una contaminació del propi Viking.

Per Schulze-Makuch i Houtkooper tindríem:

– El H₂O₂ és el responsable del resultat negatiu de la cromatografia de gasos. L'absència de matèria orgànica quantificable en un ambient no significa necessàriament que no hi hagi formes de vida: hi poden haver però amb una quantitat molt petita de cèl·lules i on pràcticament no hi ha matèria orgànica més enllà d'elles (Navarro-González et al., 2006).

– l'experiment d'alliberament marcat mostrava dos ritmes. Al començament el ritme de conversió de la matèria orgànica marcada a CO₂ era ràpida, però després dequeia. El responsable de l'experiment, Gilbert Levin (*1925), ja havia dit que això podia ser degut a que la solució experimental emprada fos tòxica per les formes de vida principal del sòl marcià. Per Schulze-Makuch i Houtkooper el problema era que la solució experimental era formada en un 100% d'H₂O: els microorganismes, si bé van poder sobreviure-hi per un temps, van morir quan la desproporció entre H₂O l'H₂O₂ es va fer insuportable

– l'experiment d'alliberament pirolític va mostrar una gran variabilitat. De les set proves fetes, tres foren negatives, i de les quatre positives n'hi va haver una amb un valor molt més gran que les altres tres. La variació es podria deure a inhomogeneïtats en la distribució de microorganisme. La prova amb el nivell més baix de fixació de CO₂ fou la feta amb una mostra prèviament rentada amb H₂O.

Algú pot dir que els arguments de Schulze-Makuch i Houtkooper són circulars. Com que les tempestes de sorra provoquen uns nivells de H₂O₂ localment i transitòriament prou elevats com per destruir la matèria orgànica, qualsevol forma de vida que hi hagi haurà d'haver incorporat aquest H₂O₂. Caldrà esperar uns quants anys per tancar el cercle, quan hagin millorat les explicacions sobre dinàmica atmosfèrica de Mart, i quan tinguin lloc nous experiments biològics a la superfície marciana. De moment, podem fixar-nos en la missió Phoenix. La Phoenix serà llençada l'agost d'enguany. El maig de l'any vinent aterrarà a una regió polar. Si bé no realitzarà experiments biològics pròpiaments dits, sí que analitzarà amb microscopis mostres del sòl i del subsòl marcià.