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La vida se basa en una extraordinaria variedad de moléculas con esqueletos de átomos alineados en forma de cadenas lineales, ramificadas, anulares o en jaula, que van desde las 100 uma (unidades de masa atómica) de algunos glúcidos a los millones de muchas proteínas y de los ácidos nucleicos. Sólo ese tipo de moléculas parece permitir lo que llamamos vida. En la Tierra, todas esas moléculas se basan en el carbono. ¿Es una casualidad?

Para responder, es necesario explicar primero el concepto de energía de enlace. Se trata de la energía necesaria para la formación de un enlace químico o, lo que es lo mismo, la energía que se libera al romperse ese enlace. A mayor energía de enlace, mayor es la estabilidad de una molécula.

Existen, en principio, 105 candidatos a átomo de la vida, los 105 elementos químicos. Pero de entrada debemos eliminar los que sólo tienen formas radiactivas, que se desintegran y romperían cualquier molécula de la cual formasen parte. Con ello, eliminamos del concurso 24 elementos, quedándonos solamente con los 81 que tienen alguna forma no radiactiva.

Una nueva inspección elimina otros cinco, los gases nobles no radiactivos (helio, neón, argón, kriptón y xenón), que por tener completa su capa externa con dos (helio) u ocho (los otros cuatro) electrones, difícilmente forman enlaces químicos, por lo que sólo se encuentran en forma monoatómica. Ahora nos quedan76 candidatos.

Estos 76 pueden compartir electrones formando enlaces químicos. Muchos pueden donar muy pocos electrones, pero aceptar muchos. Se agrupan en cantidades enormes e indeterminadas de átomos muy juntos entre los cuales se mueven unos pocos electrones. Los átomos deben estar muy juntos. Se trata del enlace metálico. Forman moléculas enormes, pero no pueden formarlas pequeñas. Dado que la vida se basa tanto en moléculas grandes como pequeñas, debemos dejarlos en la cuneta. Esto excluye nada menos que 58 elementos.

Nos quedan 18 no metales estables. En éstos, con entre uno (el hidrógeno) y siete electrones en la capa externa, faltan de uno a cuatro electrones para completar esa capa (en el caso del hidrógeno, como en el del helio, la capa externa está completa con dos electrones, mientras que en los demás lo está con ocho). Estos elementos tienen equilibradas sus capacidades de ceder y aceptar electrones para compartirlos, con lo que forman el llamado enlace covalente. He aquí la lista con el número de enlaces que puede formar cada uno (cada enlace covalente consiste en un par de electrones compartidos):

Hidrógeno, flúor, cloro, bromo, yodo1 enlace
Oxígeno, Azufre, Selenio y telurio2 enlaces
Boro, nitrógeno, fósforo, Arsénico y antimonio3 enlaces
Carbono, silicio, germanio, estaño4 enlaces

Los cuatro primeros sólo pueden unirse a un átomo de la misma clase, por lo que existen en forma de moléculas diatómicas, sin posibilidad de formar cadenas. Ya sólo nos quedan 13.

A primera vista, el oxígeno, con sus dos enlaces posibles, podría formar cadenas –O-O-O-O- de longitud indefinida. Aquí es donde necesitamos el concepto de energía de enlace. Cuanto mayor es la energía de enlace, mayor es la estabilidad de un compuesto y mayor, por lo tanto, la probabilidad de su existencia. La energía del enlace simple de oxígeno es de 34 kcal/mol. Esta energía se comporta de forma aditiva, deforma que una cadena cíclica cuadrada de cuatro átomos de oxígeno tiene una energía de enlace de 136 kcal/mol. Pero la energía del enlace doble es de 118 kcal/mol, con lo que la energía de enlace de dos moléculas constituidas cada una por dos oxígenos unidos por doble enlace sería 236 kcal/mol, casi el doble.

En consecuencia, el oxígeno siempre forma dobles enlaces consigo mismo, sin posibilidad de formar cadenas. Aún es más difícil que formen cadenas. Los otros elementos de su mismo grupo tienen átomos mayores, con lo que se pueden aproximar menos para formar enlaces entre sí y su energía de enlace es menor, por lo que pueden formar cadenas, como lo hace el azufre formando anillos. Pero con ello agotan todos sus enlaces. No forman, por lo tanto, moléculas suficientemente complejas y versátiles.

El enlace simple del nitrógeno consigo mismo tiene una energía de 38, el doble, de100 y el triple, de 225 kcal/mol. Por lo tanto, cuando chocan dos átomos de nitrógeno, inmediatamente forman una molécula diatómica con un triple enlace. ¿Qué pasa con los otros cuatro elementos de su grupo? No podemos eliminarlos, porque sí pueden formar cadenas en que cada átomo tiene dos enlaces ocupados y un tercero libre. Siguen, por lo tanto, en la competencia.

Veamos qué pasa con el carbono. No puede formar enlaces cuádruples (ningún elemento puede formarlos), con lo que puede formar enlaces simples, dobles y triples, quedándole en todos los casos enlaces libres para unirse a otros átomos formando cadenas ramificadas. Las energías de cada tipo de enlace son, respectivamente 82, 146 y 200 kcal/mol. La energía de dos enlaces sencillos es 164 y la de tres, 246 kcal/mol. Por lo tanto, el enlace preferido será el enlace sencillo, que deja libres dos enlaces. Lo mismo pasa con el silicio, el germanio y el estaño. El criterio de selección ya no pueden ser las características intrínsecas de los elementos, sino el medio en que se encuentran.

Nos han quedado ocho candidatos a átomo de la vida:

Energía de enlaceEnlaces
Carbono82>4
Boro693
Silicio534
Fósforo513
Germanio384
Estaño344
Arsénico323
Antimonio303

Veamos con qué ambiente se las tienen que haber. Los elementos más comunes en el universo son el hidrógeno, el helio (que hemos descartado como gas noble) y el oxígeno. Un planeta lo suficientemente frío y masivo retendrá el hidrógeno y el helio, que son mucho más abundantes que el oxígeno. Un planeta como el nuestro sólo es capaz de retener el oxígeno (lo cual no quiere decir que se encuentre libre, como sucede ahora en la Tierra). El enlace silicio-hidrógeno tiene una energía de 53 kcal/mol, el enlace con el oxígeno, 88 y el enlace silicio hidrógeno, 75. En consecuencia, los enlaces silicio-oxígeno y silicio-hidrógeno compiten con ventaja con el enlace del silicio consigo mismo. En cualquier planeta, el silicio no se encontrará formando cadenas sino unido a oxígeno o a hidrógeno. Lo mismo pasa con los demás elementos de la última tabla, con la excepción del carbono.

El enlace carbono carbono tiene 82, el enlace carbono-hidrógeno, 93 y el enlace carbono-oxígeno, 85 kcal/mol. La segunda energía es sólo un 13 % superior a la primera y la tercera, sólo un 4 %. En presencia de oxígeno, el carbono se oxidará, pero no sin una buena cantidad de calor y en presencia de hidrógeno, dará hidrocarburos (así se forma el petróleo y el gas natural), pero con dificultad y lentitud. Las cadenas carbono-carbono, esqueleto de la vida son casi tan probables como las uniones carbono-hidrógeno y carbono-oxígeno. De ahí, según los químicos, que la vida se base en el carbono.

© Julio Loras Zaera
Profesor Francho de Fortanete

 
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