Mirando hacia abajo para alcanzar las estrellas

Los descubrimientos en las profundidades de la superficie de la Tierra impulsan la exploración planetaria, y los descubrimientos en otros planetas informan nuestra comprensión del mundo debajo de nuestros pies.

Las columnas de partículas de hielo, vapor de agua y trazas de compuestos orgánicos de Encélado brindan información sobre los entornos y procesos del subsuelo.  Crédito: NASA/JPL/Instituto de Ciencias Espaciales.

Nuestras investigaciones de los procesos de la Tierra arrojan luz sobre los procesos que tienen lugar en otros planetas y lunas. A su vez, los descubrimientos fuera de la Tierra nos han obligado a mirar nuestro planeta de origen con nuevos ojos. Por ejemplo, la vida existe en lugares aparentemente imposibles de la Tierra: en las aplastantes profundidades del océano, los valles secos de la Antártida y los manantiales volcánicos ácidos, por nombrar algunos. ¿Qué pueden decirnos estas formas de vida sobre las condiciones en otros mundos que también podrían ser capaces de sustentar la vida?

Los principios fundamentales de las ciencias de la Tierra de Hutton y Lyell , presentados a finales de 1700 y principios de 1800, establecieron que los procesos observables son la clave para desbloquear el pasado y descifrar el futuro. Un principio clave de su visión uniformitaria de la Geología afirmaba que los procesos que alteran la Tierra son uniformes a lo largo del tiempo. Esto invoca una imagen de la Tierra como un planeta bien entendido que puede usarse como un análogo para la planetología comparativa y la exploración del resto del universo.

Pero nuestra comprensión de los procesos físicos, biológicos y químicos en nuestro propio planeta, de hecho, ha seguido evolucionando al ritmo de nuestra exploración del Sistema Solar y más allá. Descubrimientos en la Luna, Marte y Venus; los satélites de Júpiter y Saturno; y, sin duda, los exoplanetas seguirán forzando la revisión de nuestra comprensión del origen y la evolución de los procesos de la Tierra y viceversa. La evolución en nuestra comprensión de los procesos biológicos en particular ha provocado un aumento en el interés por la Astrobiología: el estudio de la vida en el Universo.

«Ve al fondo» (Go Deep)

Un informe publicado el año pasado por las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina [2018], ‘Una estrategia de Astrobiología para la búsqueda de vida en el Universo‘, fue una revisión importante del panorama de la Astrobiología, sintetizando descubrimientos recientes, avances tecnológicos y temas programáticos. Los objetivos del informe eran identificar los desarrollos conceptuales e intelectuales que surgen de la comunidad y resaltar las preguntas de investigación más prometedoras y los desafíos tecnológicos que probablemente darán forma al campo en los próximos 20 años.

El informe, que presentó una gran cantidad de hallazgos y recomendaciones, organizó sus hallazgos en tres temas generales. Uno de esos temas, «Go Deep», se centró en el creciente impacto que la investigación sobre los procesos y entornos del subsuelo está teniendo en la exploración planetaria y la Astrobiología. ¿Qué es tan innovador en esta nueva «frontera del subsuelo» que pone una perspectiva completamente nueva en el término «espacio profundo»?

Podría decirse que los primeros años de la exploración espacial y la búsqueda de vida más allá de la Tierra se centraron en gran medida en la cuestión de la vida en la superficie. Todavía en la década de 1970, la vida en la Tierra se consideraba típicamente como una fina capa en la superficie del Planeta Azul, donde la base de la energía ecológica dependía por completo del acceso a la energía del Sol a través de la fotosíntesis.

Surgió un nuevo mundo cuando los sumergibles de aguas profundas exploraron los respiraderos hidrotermales de la dorsal oceánica. Allí, gusanos tubícolas de más de 2 metros de largo y almejas del tamaño de platos eran sostenidos por un ecosistema basado no en la fotosíntesis sino en la quimiosíntesis. La base de la cadena alimentaria fue impulsada por microorganismos quimiolitotróficos (literalmente comedores de rocas) capaces de capturar la energía química de las reacciones entre el agua y las rocas para sustentar la vida, incluso en las oscuras profundidades del fondo del océano, lejos del alcance de la luz solar. La onda expansiva de estos descubrimientos sigue afectando a la investigación en la Tierra y más allá.

La vida no como la conocemos

Aunque no se ha insinuado ninguna evidencia de un segundo origen de la vida o una biosfera en la sombra [ Cleland y Copley , 2005], los descubrimientos de organismos y ecosistemas del subsuelo nos han obligado, sin embargo, a confrontar formas de vida como no las conocíamos antes. Incluso dentro del marco canónico del modelo del ADN de la vida, la diversidad y los misterios de la vida continúan sorprendiéndonos.

Desde los descubrimientos revolucionarios de Carl Woese de 1977 de un tercer reino de la vida (Arqueas) hasta el descubrimiento de la transferencia horizontal de genes, que pone fin a la herencia de padres a hijos, nuevos hallazgos que nos obligan a revisar nuestra comprensión sobre la naturaleza y la evolución de la vida continúan. Por ejemplo, los linajes de arqueas encontrados recientemente en los respiraderos hidrotermales, como Lokiarchaea, están proporcionando la primera evidencia tangible para abordar uno de los problemas de larga data en la biología evolutiva: ¿Cómo desarrollaron algunos organismos (los eucariotas) sistemas complejos de orgánulos y membranas? -material genético envuelto dentro de cada una de sus células [ Spang et al. , 2015]?

Los descubrimientos de vida sostenidos por la quimiosíntesis plantean otra proposición tentadora: ¿Podría la vida existente, o signos de vida pasada, conservarse en las profundidades del subsuelo de Marte? Si la vida alguna vez surgió en un planeta como Marte aproximadamente al mismo tiempo que en la Tierra, esa vida habría sido agraciada con un clima más cálido y húmedo y una atmósfera más espesa. ¿Podría el agua y cualquier vida asociada haberse refugiado en el subsuelo a medida que el planeta evolucionó para convertirse en el desierto frío y seco que es hoy [ Michalski et al. , 2017]? En otras partes de nuestro Sistema Solar y más allá de los exoplanetas, ¿podría la quimioautotrofia (sintetizar el propio alimento a partir de compuestos químicos del medio ambiente) ser una estrategia más universal para la vida que la fotosíntesis?

Vaya despacio y manténgalo fresco

No necesitamos el Twitterverse para mostrarnos que nos atraen los fenómenos dramáticos y de rápido movimiento, a veces fuera de toda proporción con su significado general. ¿Qué nos estaríamos perdiendo al ignorar los ecosistemas biológicos pequeños o lentos en el subsuelo profundo pobre en energía [ Trembath-Reichert et al. , 2017]? ¿Qué descubrimientos se encuentran en los procesos de baja temperatura que parecen «insignificantes» hasta que se considera el volumen de la geosfera que afectan o se integra la escala de tiempo en la que han ocurrido?

Desulforudis audaxviator es un organismo icónico del subsuelo profundo llamado así por un pasaje de la novela de Julio Verne Viaje al centro de la Tierra. Sobrevive utilizando hidrógeno producido a partir de reacciones entre rocas y agua en sistemas aislados lejos de la fotosfera superficial. 
Crédito: G. Wanger y G. Southam
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Los procesos lentos pueden tener efectos globales si están involucradas las largas escalas de tiempo de la historia de un planeta. Un ejemplo notable, descubierto recientemente, es el papel que juega la radiación del subsuelo en la descomposición de las moléculas de agua, proporcionando una fuente enorme e imprevista de hidrógeno para la vida [ Lin et al. , 2006]. Este proceso de generación de hidrógeno es tan lento que la importancia global de estos procesos se había descuidado por completo. Su importancia salió a la luz solo cuando se calcularon los efectos de la acumulación de estos productos de reacción sobre el vasto volumen del subsuelo de la Tierra en una escala de tiempo de un millón a mil millones de años [ D’Hondt et al. , 2009; Sherwood Lollar et al. , 2014].

De manera similar, durante la última década, la ciencia ha evolucionado para reconocer que los procesos de producción de energía de las reacciones agua-roca no se limitan a entornos de alta temperatura como fumarolas, aguas termales y volcanes. Los descubrimientos de procesos de reacción agua-roca que producen hidrógeno, como la radiólisis y la serpentinización, ocurren en un rango de temperaturas y escalas de tiempo [ Mayhew et al. , 2013;  McCollom y Donaldson, 2016; Schrenk et al., 2013]. Estos procesos están transformando actualmente nuestra comprensión de la habitabilidad de nuestro planeta, ampliando nuestro enfoque más allá de la «biosfera caliente y profunda» a las vastas áreas y profundidades de la corteza continental donde puede residir una biosfera fría y profunda [ Sherwood Lollar et al. , 2014; onstott,2016].

Una comprensión ampliada de la diversidad de los procesos de reacción agua-roca en la Tierra que pueden sostener la habitabilidad está avanzando rápidamente, influyendo en la planificación de misiones actuales y futuras para la exploración de los planetas y lunas más allá de la Tierra. Los científicos están reexaminando el postulado de que la habitabilidad planetaria requiere placas tectónicas. Quizás no haya un solo modelo de producción, distribución y disipación de energía planetaria capaz de sustentar la vida.

Otros procesos a escala planetaria, como las interacciones fluido-roca, o procesos relevantes para otros planetas y lunas (p. ej., el calentamiento de las mareas en Encelado) pueden proporcionar mecanismos alternativos y potencialmente más universales para sostener la energía impulsora que sustenta la vida [ Meyer y Wisdom , 2007]. Los descubrimientos del subsuelo de la Tierra están impulsando la investigación de procesos planetarios que podrían explicar cómo se podrían producir compuestos orgánicos como el metano en Marte [ Webster et al. , 2018] y en Titán [ Niemann et al . , 2005; Atreya et al. , 2006]. Hidrógeno detectado en las columnas de Encélado [ Waite et al. , 2017] ha alimentado el pensamiento sobre la producción de hidrógeno en Marte [ Vance et al., 2011; Tarnas et al. , 2018], Europa [ Vance et al. , 2016; ramo et al. , 2017], y potencialmente incluso Plutón y pequeños satélites helados [ Vance et al. , 2007].

Tierra 3-D y Tierra 4-D

Los entornos del subsuelo nos permiten investigar más allá de las tres dimensiones, brindando información sobre la cuarta dimensión crítica, el tiempo, requerido para abordar cuestiones fundamentales relacionadas con la preservación de biofirmas y el registro de procesos geológicos. Estas preguntas están en el centro de la comprensión de la evolución planetaria, la historia de la habitabilidad y la validez de las firmas biológicas. El descubrimiento del rover Curiosity de carbono orgánico preservado en lutitas marcianas de 3 mil millones de años en el cráter Gale [ Eigenbrode et al. , 2018] destaca la importancia de los análogos en algunas de las rocas más antiguas de la Tierra, también conservadas durante cerca de 3 mil millones de años.

En el Escudo Canadiense y los antiguos cratones de Australia y Sudáfrica, las muestras del subsuelo protegidas de los impactos de los ciclos de carbono superficiales más recientes proporcionan un campo de pruebas para comprender los procesos de conservación en escalas de tiempo planetarias extremas. Muchos de los terrenos arcaicos de la Tierra se han metamorfoseado y deformado tanto que su registro geológico se ha oscurecido. Otras localidades intrigantes, como Kidd Creek en el Escudo Canadiense, han sufrido eventos térmicos y deformaciones relativamente moderados que las texturas de «almohada de lava» que se formaron cuando las rocas se extruyeron por primera vez en el fondo del océano hace 2.700 millones de años siguen siendo visibles en la roca de la pared [ Li et al. , 2016]. Los descubrimientos en Kidd Creek revelaron no solo aguas subterráneas con tiempos de residencia promedio de 1 a 2 mil millones de años [Holanda et al. , 2013; Warr et al. , 2018], sino también las firmas isotópicas de gases nobles que reflejan la composición de la atmósfera arcaica [ Holland et al. , 2013; Avice et al. , 2017].

Agrandar imagen. Antiguas aguas saladas ricas en hidrógeno y otras sustancias químicas que sustentan la vida se descargan de fracturas en las rocas más antiguas del mundo, aquí a 1,8 kilómetros bajo la superficie en la cuenca de Witwatersrand, Sudáfrica. Crédito: G. Borgonie.

Comprender la escala de tiempo y los procesos de preservación del agua, la habitabilidad, la vida existente y los biomarcadores de vida pasada en el subsuelo de la Tierra desafiará e informará la exploración planetaria. La litosfera marina proporciona esta comprensión de los ciclos geológicos a corto plazo (menos de 200 millones de años), y las rocas de edad precámbrica que constituyen más del 70% de la litosfera continental (600 millones a más de 3 mil millones de años) revelan las mayores escalas de tiempo planetario. Los estudios en la Tierra siguen siendo vitales para la exploración de planetas rocosos como Marte, así como los mundos oceánicos y las lunas heladas, y la composición atmosférica y la habitabilidad potencial de los exoplanetas. El subsuelo profundo de la Tierra es el único entorno identificado hasta la fecha que, en algunos lugares, está «aislado» de los ciclos superficiales impulsados ​​por la fotosíntesis.

Pensando más allá de «Drill, Baby Drill»

¡Explorar las regiones de kilómetros de profundidad de la Tierra no es fácil! Entonces, ¿cómo podemos acceder al subsuelo de otros planetas y lunas en el Sistema Solar, y mucho menos extender el enfoque de Profundización a exoplanetas que están imposiblemente más allá incluso de las sondas y orbitadores de mayor alcance? El rover Curiosity (y los planes actuales para el rover Mars 2020) pueden penetrar la superficie marciana solo en la escala de centímetros. El rover ExoMars 2020 conjunto de Roscosmos y la Agencia Espacial Europea llevará un taladro capaz de alcanzar 2 metros por debajo de la superficie del planeta [ Vago et al. , 2017]. Stamenkovic et al. [2019] recientemente revisaron estrategias en desarrollo o bajo consideración (incluidas sondas, sondas y nuevas tecnologías de perforación) potencialmente aplicables no solo a cuerpos rocosos como Marte sino también a los mundos oceánicos.

Sin embargo, un aspecto vital de la filosofía ‘Go Deep’ (Ve al Fondo) es su enfoque en los procesos del subsuelo, no simplemente en el acceso al subsuelo. El enfoque abarca una multiplicidad de estrategias para obtener información sobre los procesos y entornos del subsuelo. Los enfoques geofísicos no invasivos a través del radar de penetración terrestre permitieron a Orosei et al. ‘s [2018] el descubrimiento de agua subterránea en Marte. La sonda de calor en el módulo de aterrizaje de exploración interior de la NASA usando Investigaciones Sísmicas, Geodesia y Transporte de Calor (InSight) está diseñada para penetrar el subsuelo a varios metros. Junto con el sismómetro de InSight, estos instrumentos brindan información sobre el calor del subsuelo, el transporte y los procesos sísmicos [ Banerdt et al. , 2013].

En una miríada de ambientes geomorfológicos, el subsuelo interactúa y trae su información a la superficie. Las escarpas, los cráteres de impacto y los terrenos fracturados, así como las filtraciones potenciales, los tubos de lava y las cuevas de hielo, pueden proporcionar medios alternativos para acceder a las muestras que se originaron en el subsuelo [ Boston , 2010; Oehler y Etiope, 2017]. Los chorros de material de las fracturas de la raya de tigre en el polo sur de Encelado son un excelente ejemplo de la urgente necesidad de comprender los procesos del subsuelo. En los exoplanetas, los procesos del subsuelo también pueden contribuir a las señales atmosféricas globales recopiladas por los telescopios espaciales y terrestres en un futuro próximo. ‘Go Deep’, una estrategia conceptual de amplio alcance para la investigación de los procesos del subsuelo, no está limitada ni restringida por las capacidades de perforación.

Las estrellas y los planetas bajo nuestros pies

Los poetas y narradores saben que la humanidad se esfuerza no sólo hacia el horizonte y las estrellas, sino también hacia los misterios de las profundidades. Cuando exploramos los procesos planetarios y buscamos vida en el universo, no solo debemos mirar hacia las estrellas, también debemos mirar hacia el subsuelo.

Expresiones de gratitud

Se agradecen los numerosos debates con el Comité de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina sobre la Estrategia Científica de la Astrobiología para la Búsqueda de Vida en el Universo y los colaboradores de la propuesta Earth 4D del Instituto Canadiense de Investigación Avanzada (CIFAR). Este trabajo fue apoyado por el Premio John C. Polanyi del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería a B.S.L., con apoyo adicional del programa CIFAR Exploratory Workshop y el Centro de Escritura de Cluny.

Referencias

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Fuente: Eos, magazine of the ‘American Geophysical Union’ (AGU).

Artículo original:

Sherwood Lollar, B. (2019), Looking down to reach to the stars, Eos, 100https://doi.org/10.1029/2019EO118819. Published on 21 March 2019. Text © 2019. The author. CC BY-NC-ND 3.0.

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