La cuestión del origen es la más importante en la ciencia moderna. El jefe de la dirección científica "Química y Tecnología de Elementos Radiactivos, Radioecología" del Instituto de Química Física y Electroquímica de la Academia de Ciencias de Rusia, Miembro Correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, Boris Ershov, contó cómo la descomposición de los elementos radiactivos en el La Tierra primitiva creó las condiciones para la evolución química de la materia, la aparición del oxígeno y la formación de las primeras moléculas orgánicas.

La desintegración de elementos radiactivos de vida prolongada (potasio-40, uranio-235, uranio-238 y torio-232) inició la descomposición del océano mundial y la formación de iones y radicales químicamente activos. La posterior interacción de estas partículas activas con sustancias inorgánicas disueltas en agua condujo a la aparición de moléculas orgánicas, "bloques de construcción" de los organismos vivos (aminoácidos, azúcares, bases, etc.). Los organismos vivos más simples surgieron y se desarrollaron en el entorno de esta "protomateria" orgánica y evolucionaron hasta convertirse en organismos multicelulares complejos.

La composición isotópica de la Tierra

En el primer período de la evolución de la Tierra, antes del origen de la vida, el planeta tenía un fondo radiactivo muy alto. Había muchos más elementos radiactivos. Durante 4600 millones de años, muchos isótopos de larga vida se descompusieron, lo que provocó que la composición isotópica de la corteza terrestre cambiara drásticamente. Por ejemplo, el uranio U-235 (vida media: 700 millones de años) ahora está casi completamente descompuesto, pero en el momento del nacimiento de la Tierra, este isótopo representaba casi la mitad de la cantidad total de uranio.

La vida media del U-238 es casi igual a la edad actual de la Tierra. Por lo tanto, aproximadamente la mitad del uranio-238 disponible en el momento del nacimiento del planeta ya se ha desintegrado, dando lugar a una cadena de isótopos hijos con diferentes tiempos de vida, que termina con la formación de un isótopo de plomo estable Pb-209.

Sin embargo, el elemento ligero potasio K-40 hizo la mayor contribución a la radiólisis del Océano Mundial en la Tierra primitiva. Su vida media es de 1.200 millones de años, que es aproximadamente cuatro veces menor que la edad estimada de la Tierra. Desde la formación de la Tierra, la cantidad de potasio-40 ha disminuido unas diez veces.

La descomposición de este elemento puede seguir dos trayectorias. Aproximadamente el 89% de los núcleos de potasio-40 emiten un electrón y forman un núcleo estable de calcio-40 (Ca-40). El 11% de los núcleos capturan un electrón de la órbita, lo que resulta en la formación de un núcleo de argón-40 (Ar-40). El argón es el tercer gas más abundante en la atmósfera terrestre (después del nitrógeno y el oxígeno). Casi todo el argón en la atmósfera terrestre está representado por el isótopo Ar-40 y es un producto de descomposición del potasio-40. En el universo, el más común es otro isótopo estable de argón: el argón-36.

Conociendo el contenido de isótopos de potasio y uranio en la corteza terrestre en la actualidad, es posible calcular cuánta materia se ha desintegrado durante el período de evolución de la tierra. Hace 4.600 millones de años, 810 millones de toneladas de potasio-40 (11 veces más que ahora), 9,2 millones de toneladas de uranio-238 (el doble) y 2,84 millones de toneladas de uranio-235 (86 veces más). Durante las transformaciones nucleares del potasio-40, se liberó la mayor cantidad de energía: un octallón (diez con 27 ceros) julios. El aporte de uranio es mucho menor. La energía liberada como resultado de la desintegración de los isótopos radiactivos es enorme, y la radiactividad natural de la Tierra, junto con las fuerzas gravitatorias, fueron las razones principales de la diferenciación de la materia terrestre: la formación del núcleo, el manto y la corteza. Por tanto, está claro que la radiactividad también jugó un papel decisivo en la evolución química del planeta.

Formación de moléculas orgánicas

En el océano, la descomposición de los elementos radiactivos provocó la ionización más intensa: había un radical libre por cada 100 moléculas de agua. En tal situación, numerosas reacciones químicas con solutos eran inevitables.

La radiólisis pulsada ya ha recreado muchas de las reacciones intermedias que podrían haber tenido lugar en la Tierra primitiva. El monóxido de carbono CO muy probablemente, tras la radiólisis en un medio acuoso, condujo a la formación de formaldehído HCHO, cuya polimerización en agua condujo a la aparición de varios azúcares, incluidas la ribosa y la desoxirribosa. El aminoácido más simple, la glicina C2H5NO2, por ejemplo, puede ensamblarse a partir de radicales •CHO y HN=C•H y una molécula de agua. A partir de cianuro de nitrógeno (también conocido como ácido cianhídrico) HCN, aparentemente, comenzó la síntesis de adenina C5H5N5. Partículas radicales de ribosa •C5H9O5 y adenina •C5H5N5 tras la adición de un grupo de fósforo formaron trifosfato de adenosina (ATP), una fuente de energía multifuncional para procesos bioquímicos.

Dado que la radiólisis continuó durante cientos de millones de años, durante este tiempo se formaron numerosas generaciones de aminoácidos, azúcares, fragmentos de ADN, ARN y ATP.Durante mucho tiempo se ha creído que las primeras moléculas orgánicas se formaron en una atmósfera de metano, amoníaco, hidrógeno y vapor de agua, bajo la influencia de la radiación ultravioleta y las descargas de rayos. Miller y Urey recrearon estas condiciones en el laboratorio allá por la década de 1950 y obtuvieron los principales componentes de las proteínas: glicina, alanina, ácido aspártico y amino-n-butírico. Posteriormente, cambiando los parámetros del experimento, fue posible sintetizar los 20 aminoácidos más comunes.

El océano mundial con isótopos radiactivos naturales disueltos parece ser un entorno más adecuado para la síntesis bioquímica. Las reacciones químicas en el ambiente acuático podrían proceder a las temperaturas naturales de la Tierra. Fluyeron por todo el volumen del océano, y su intensidad dependía de la distribución de los isótopos radiactivos. Además, el agua no permitió que las descargas eléctricas y la radiación ultravioleta destruyeran las moléculas que aparecían.

Oxigenación de la Tierra

También es importante señalar que el concepto del importante papel de la radiactividad en la evolución química de la Tierra primitiva explica la saturación temprana de la atmósfera con oxígeno (hace aproximadamente 3800 millones de años) , que se produjo durante la radiólisis del agua. Esto contribuyó al hecho de que la atmósfera anaeróbica del planeta primitivo se transformó gradualmente en una aeróbica. Los cálculos muestran que la contribución decisiva a la oxigenación la hizo la descomposición de iones de 40K. Su descomposición produjo 3,2 x 1017 kg de oxígeno hace 3800 millones de años y 8,5 x 1017 kg en la actualidad. Esta cantidad es proporcional al contenido actual de oxígeno en la atmósfera del planeta (1,2 x 1018 kg).

"El océano era a la vez un convertidor y un reservorio para la formación de moléculas prebióticas”, explica Boris Ershov. "También resultó ser un entorno favorable y una 'cuna' para la vida emergente".

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