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Tholin

Imagen compuesta en color de New Horizons de 486958 Arrokoth que muestra su color rojo debido a las tolinas en su superficie [1]

Las tolinas (del griego θολός ( tholós ) "nebuloso" o "fangoso"; [2] de la palabra griega antigua que significa "tinta sepia") son una amplia variedad de compuestos orgánicos formados por irradiación solar ultravioleta o de rayos cósmicos de carbono simple. que contienen compuestos como 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 tolinas son materiales desordenados similares a polímeros 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 tolinas 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 del Sistema Solar exterior.

En presencia de agua, las tolinas podrían ser materias primas para la química prebiótica (es decir, la química no viva 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 la atmósfera, las tolinas dispersan la luz y pueden afectar la habitabilidad .

Las tolinas se pueden producir en un laboratorio y generalmente 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 tolina y el carácter exacto de las sustancias químicas individuales que contienen. [5]

Descripción general

Poliacrilonitrilo , un componente polimérico hipotético de las tolinas, principalmente en forma químicamente degradada como polímeros que contienen grupos nitrilo y amino . Se utiliza experimentalmente para crear mezclas de tolina. [5]

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 mezclas de gases que contienen metano, como las encontradas en Titán . atmósfera. [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 los gases cósmicamente abundantes CH
4, C
2h
6, Nuevo Hampshire
3, h
2O , HCHO y H
2S . El producto, sintetizado mediante 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' (del griego Θολός, barro; pero también Θόλος, bóveda o cúpula), aunque nos tentó la frase 'estrella-alquitrán'. [4] [2]

Las tolinas 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 tolinas son materiales desordenados similares a polímeros 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 la abundancia inicial de precursores, pero es evidente una similitud física y química general entre las distintas tolinas". [2]

Algunos investigadores en este campo prefieren una definición más restringida de tolinas, por ejemplo S. Hörst escribió: "Personalmente, trato de utilizar la palabra 'tolinas' sólo cuando describo las muestras producidas en el laboratorio, en parte porque todavía no sabemos realmente cómo El material que producimos en el laboratorio es similar al material que se encuentra en lugares como Titán o Tritón (¡o Plutón!)". [4] Los investigadores franceses también utilizan el término tolinas sólo cuando describen las muestras producidas en laboratorio como análogas. [9] Los científicos de la NASA también prefieren la palabra 'tholin' para los productos de simulaciones de laboratorio, y utilizan el término 'residuos refractarios' para observaciones reales de cuerpos astronómicos. [8]

Formación

La formación de tolinas en la atmósfera de Titán.

artificialmente

Los elementos clave de las tolinas 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 alquilo como CH
2/ CH
3formando sólidos macromoleculares complejos desordenados. Las pruebas de laboratorio generaron sólidos complejos formados por la exposición de N
2: CH
4mezclas gaseosas hasta descargas eléctricas en condiciones de plasma frío, que recuerdan al famoso experimento Miller-Urey realizado en 1952. [10]

Naturalmente

Como se ilustra a la derecha, se cree que las tolinas se forman en la naturaleza mediante 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 que se encuentra 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]

Las tolinas pueden ser un componente importante del medio interestelar . [2] En Titán, su química se inicia a grandes altitudes y participa en la formación de partículas orgánicas sólidas. [9]

Estas sustancias de origen atmosférico son distintas de la tolina II del hielo , que se forma 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 sobre hielo no depende de la temperatura. [3]

Los modelos muestran que incluso cuando están lejos de la radiación ultravioleta de una estrella, las dosis de rayos cósmicos pueden ser totalmente suficientes para convertir granos de hielo que contienen carbono en compuestos orgánicos complejos en menos de la vida útil de una nube interestelar típica . [3]

Importancia biológica

Algunos investigadores han especulado que la Tierra pudo haber sido sembrada con compuestos orgánicos en las primeras etapas de su desarrollo por cometas ricos en tolinas, proporcionando la materia prima necesaria para que se desarrollara la vida [2] [3] (consulte el experimento de Miller-Urey para una discusión relacionada con esto). . Las tolinas 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]

Experimentos de laboratorio [16] sugieren que las tolinas cercanas a grandes charcos de agua líquida que podrían persistir durante miles de años podrían facilitar la formación de química prebiótica, [17] [4] y tiene implicaciones sobre 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 , afectando 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 única fuente de carbono. Las tolinas podrían haber sido el primer alimento microbiano para microorganismos heterótrofos antes de que evolucionara la autotrofia . [20] [21]

Ocurrencia

La superficie de Titán vista desde el módulo de aterrizaje Huygens . Se sospecha que las tolinas son la fuente del color rojizo tanto de la superficie como de la neblina atmosférica.

Sagan y Khare señalan la presencia de tolinas en múltiples ubicaciones: "como constituyente de los océanos primitivos de la Tierra y, por lo tanto, relevantes para el origen de la vida ; como componente de aerosoles rojos en las atmósferas de los planetas exteriores y Titán; presentes en los cometas , condritas carbonosas, asteroides y nebulosas solares preplanetarias; y como constituyente 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 tolinas. [22]

lunas

Titán

Las tolinas de Titán son sustancias orgánicas ricas en nitrógeno [23] [24] producidas por la irradiación de mezclas gaseosas de nitrógeno y metano que se encuentran en la atmósfera y la superficie de Titán. La atmósfera de Titán está compuesta aproximadamente por un 97% de nitrógeno, un 2,7±0,1% de metano y el resto de trazas de otros gases. [25] En el caso de Titán, se cree que la neblina y el color rojo anaranjado de su atmósfera son causados ​​por la presencia de tolinas. [11] [26]

europa

Fracturas lineales en la superficie de Europa, probablemente coloreadas por tolinas.

Se cree que las regiones coloreadas del satélite Europa de Júpiter son tolinas. [17] [27] [28] [29] La morfología de los cráteres de impacto y las crestas de Europa sugiere que el material fluidizado 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 impulsar las reacciones. Se supone que las impurezas en la corteza de hielo de agua de Europa emergen del interior como eventos criovolcánicos que resurgen el cuerpo y se acumulan desde el espacio como polvo interplanetario. [17]

ñandú

El hemisferio posterior de Rea , la luna de Saturno , está cubierto de tolinas.
Vista cercana del Sputnik Planitia en Plutón vista por la nave espacial New Horizons , que muestra glaciares de hielo de nitrógeno y tolinas de color rojizo.

Se cree que las extensas áreas oscuras en el hemisferio posterior de Rea , la luna de Saturno , son tolinas depositadas. [14]

Tritón

Se observa que Tritón, la luna de Neptuno, tiene el color rojizo característico de las tolinas. [23] La atmósfera de Tritón es principalmente nitrógeno, con trazas de metano y monóxido de carbono. [30] [31]

Planetas enanos

Plutón

Las tolinas se encuentran en el planeta enano Plutón [32] y son responsables de los colores rojos [33] , así como del tinte azul de la atmósfera de Plutón . [34] Se cree que el casquete marrón rojizo del polo norte de Caronte , [4] la mayor de las cinco lunas de Plutón , está compuesto de tolinas, producidas a partir de metano, nitrógeno y gases relacionados liberados de la atmósfera de Plutón y transferidos a unos 19.000 km (12.000 millas) de distancia de la luna en órbita. [35] [36] [37]

ceres

Los tholins fueron detectados en el planeta enano Ceres por la misión Dawn . [38] [39] 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. [40] [41] El contenido de carbono es más de cinco veces mayor que el de los meteoritos de condritas carbonosas analizados en la Tierra. [41]

hacer hacer

Makemake exhibe metano , pueden estar presentes grandes cantidades de etano y tolinas, así como cantidades más pequeñas de etileno , acetileno y alcanos de alta masa , muy probablemente creados por la fotólisis del metano por la radiación solar. [42] [43] [44]

Objetos del cinturón de Kuiper y centauros.

El color rojizo típico de los tolinos es característico de muchos objetos transneptunianos , incluidos los plutinos del Sistema Solar exterior como 28978 Ixion . [45] Las reflectancias espectrales de los centauros también sugieren la presencia de tolinas en sus superficies. [46] [47] [48] La exploración de New Horizons del objeto clásico del cinturón de Kuiper 486958 Arrokoth reveló un color rojizo en su superficie, que sugiere tolinas. [8] [49]

Cometas y asteroides

Las tholinas fueron detectadas in situ por la misión Rosetta al cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko . [50] [51] Las tolinas no son típicamente características de los asteroides del cinturón principal, pero se han detectado en el asteroide 24 Themis . [52] [53]

Tholins más allá del Sistema Solar

Es posible que también se hayan detectado tolinas 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. [54] El sistema HR 4796 está aproximadamente a 220 años luz de la Tierra. [55]

Ver también

Referencias

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