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Tholín

Mácula de Mordor , una región oscura en el polo norte de Caronte . La región está teñida de un marrón oscuro por depósitos de tolinas.

Las tolinas (del griego θολός ( tholós ) "brumoso" o "turbio"; [1] de la antigua palabra griega que significa "tinta sepia") son una amplia variedad de compuestos orgánicos formados por la irradiación de rayos ultravioleta o cósmicos solares de compuestos simples que contienen carbono, como el dióxido de carbono ( CO
2), metano ( CH
4) o etano ( C
2yo
6), a menudo en combinación con nitrógeno ( N
2) o agua ( H
2O ). [2] [3] Las tolinas son materiales desordenados similares a polímeros hechos de cadenas repetidas de subunidades enlazadas 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 los 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 materia prima para la química prebiótica (es decir, la química no viviente que forma los químicos básicos de los 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 una atmósfera, las tolinas dispersan la luz y pueden afectar la habitabilidad .

Las tolinas se pueden producir en un laboratorio y, por lo general, se estudian como una mezcla heterogénea de muchas sustancias químicas con diferentes estructuras y propiedades. Mediante técnicas como el análisis termogravimétrico , los astroquímicos analizan la composición de estas mezclas de tolinas y el carácter exacto de las sustancias químicas individuales que las componen. [4]

Descripción general

Poliacrilonitrilo , un componente polimérico hipotético de las tolinas, que se encuentra principalmente en forma degradada químicamente como polímeros que contienen grupos nitrilo y amino . Se utiliza experimentalmente para crear mezclas de tolinas. [4]

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 de tipo Miller-Urey sobre las mezclas de gases que contienen metano, como las que se encuentran en la atmósfera de Titán . [1] Su artículo que proponía 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 gases cósmicamente abundantes CH
4, C
2yo
6, Nueva Hampshire
3, yo
2O , HCHO y H
2S. El producto, sintetizado por luz ultravioleta (UV) o descarga de chispa, 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 libre de modelo, 'tholins' (griego Θολός, fangoso; pero también Θόλος, bóveda o cúpula), aunque nos tentó la frase 'alquitrán de estrella'. [3] [1]

Las tolinas no son un compuesto específico, sino que describen un espectro de moléculas, incluidos los heteropolímeros [5] [6] que dan una cubierta orgánica rojiza a ciertas superficies planetarias. Las tolinas son materiales desordenados similares a polímeros hechos de cadenas repetidas de subunidades enlazadas y combinaciones complejas de grupos funcionales. [7] 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 diversas tolinas". [1]

Algunos investigadores en este campo prefieren una definición más estrecha de las tolinas; por ejemplo, S. Hörst escribió: "Personalmente, trato de usar la palabra 'tolinas' solo cuando describo las muestras producidas en laboratorio, en parte porque aún no sabemos realmente cuán similar es el material que producimos en el laboratorio al material encontrado en lugares como Titán o Tritón (¡o Plutón!)". [3] Los investigadores franceses también usan el término tolinas solo cuando describen las muestras producidas en laboratorio como análogas. [8] Los científicos de la NASA también prefieren la palabra 'tolinas' para los productos de simulaciones de laboratorio y usan el término 'residuos refractarios' para las observaciones reales en cuerpos astronómicos. [7]

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 espectroscopia infrarroja de laboratorio de las tolinas sintetizadas experimentalmente ha confirmado las identificaciones anteriores de los grupos químicos presentes, incluidas las aminas primarias , los nitrilos y las porciones alquílicas como CH
2/ ES
3formando sólidos macromoleculares complejos y desordenados. Las pruebas de laboratorio generaron sólidos complejos formados a partir de la exposición a N
2: ES
4mezclas gaseosas a descargas eléctricas en condiciones de plasma frío, que recuerdan el famoso experimento de Miller-Urey realizado en 1952. [9]

Naturalmente

Como se ilustra a la derecha, se cree que las tolinas se forman en la naturaleza a través de 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 de abajo. [10]

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. [11] [12]

Las tolinas pueden ser un componente importante del medio interestelar . [1] En Titán, su química se inicia a grandes altitudes y participa en la formación de partículas orgánicas sólidas. [8]

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
2yo
6). [2] [13] La síntesis inducida por radiación en hielo no depende de la temperatura. [2]

Los modelos muestran que incluso cuando estamos lejos de la radiación UV de una estrella, las dosis de rayos cósmicos pueden ser suficientes para convertir los granos de hielo que contienen carbono en compuestos orgánicos complejos en menos de la vida útil de una nube interestelar típica . [2]

Importancia biológica

Algunos investigadores han especulado que la Tierra puede haber sido sembrada de compuestos orgánicos en las primeras etapas de su desarrollo por cometas ricos en tolinas, que proporcionaron la materia prima necesaria para el desarrollo de la vida [1] [2] (véase el experimento de Miller-Urey para una discusión relacionada con este tema). 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. [14]

Experimentos de laboratorio [15] sugieren que las tolinas cerca de grandes depósitos de agua líquida que podrían persistir durante miles de años podrían facilitar la formación de química prebiótica, [16] [3] y tiene implicaciones en los orígenes de la vida en la Tierra y posiblemente en otros planetas. [3] [14] 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 , lo que afecta la habitabilidad . [3] [17] Las simulaciones de laboratorio encontraron residuos derivados relacionados con aminoácidos , así como con urea , con importantes implicaciones astrobiológicas . [14] [15] [18]

En la Tierra, una amplia variedad de bacterias del suelo pueden utilizar las tolinas producidas en laboratorio como su única fuente de carbono. Las tolinas podrían haber sido el primer alimento microbiano para los microorganismos heterótrofos antes de que evolucionara la autotrofia . [19] [20]

Aparición

La superficie de Titán vista desde la sonda Huygens . Se sospecha que los tolinios 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 un componente de los océanos primitivos de la Tierra y, por lo tanto, relevante para el origen de la vida ; como un componente de aerosoles rojos en las atmósferas de los planetas exteriores y Titán; presente en cometas , asteroides condritas carbonosas y nebulosas solares preplanetarias; y como un componente principal del medio interestelar ". [1] Las superficies de los cometas, centauros y muchas lunas heladas y objetos del cinturón de Kuiper en el Sistema Solar exterior son ricas en depósitos de tolinas. [21]

Lunas

Titán

Las tolinas de Titán son sustancias orgánicas ricas en nitrógeno [22] [23] producidas por la irradiación de las mezclas gaseosas de nitrógeno y metano que se encuentran en la atmósfera y la superficie de Titán. La atmósfera de Titán está compuesta por un 97 % de nitrógeno, un 2,7 ± 0,1 % de metano y el resto de trazas de otros gases [24] . En el caso de Titán, se cree que la neblina y el color naranja rojizo de su atmósfera son causados ​​por la presencia de tolinas [10] [25] .

Europa

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

Se cree que las regiones coloreadas de Europa , el satélite de Júpiter , son tolinas. [16] [26] [27] [28] La morfología de los cráteres y crestas de impacto de Europa sugiere que el material fluidizado brota de las fracturas donde se produce 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 presume 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. [16]

ñandú

El hemisferio posterior de la luna Rea de Saturno está cubierto de tolinas.
Vista de cerca de 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 del hemisferio posterior de la luna Rea de Saturno son tolinas depositadas. [13]

Tritón

Se observa que la luna Tritón de Neptuno tiene el color rojizo característico de las tolinas. [22] La atmósfera de Tritón está compuesta principalmente por nitrógeno, con trazas de metano y monóxido de carbono. [29] [30]

Planetas enanos

Plutón

Las tolinas se encuentran en el planeta enano Plutón [31] y son responsables de los colores rojos [32] así como del tinte azul de la atmósfera de Plutón . [33] Se cree que la capa marrón rojiza del polo norte de Caronte , [3] la más grande de las cinco lunas de Plutón , está compuesta de tolinas, producidas a partir de metano, nitrógeno y gases relacionados liberados de la atmósfera de Plutón y transferidos a una distancia de aproximadamente 19.000 km (12.000 mi) a la luna en órbita. [34] [35] [36]

Ceres

Los tolins fueron detectados en el planeta enano Ceres por la misión Dawn . [37] [38] 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. [39] [40] El contenido de carbono es más de cinco veces mayor que en los meteoritos de condrita carbonácea analizados en la Tierra. [40]

Hacerhacer

Makemake exhibe metano , grandes cantidades de etano y tolinas, así como también pequeñas cantidades de etileno , acetileno y alcanos de alta masa , probablemente creados por fotólisis de metano por radiación solar. [41] [42] [43]

Objetos del cinturón de Kuiper y centauros

El color rojizo típico de las tolinas es característico de muchos objetos transneptunianos , incluidos los plutinos en el Sistema Solar exterior como 28978 Ixion . [44] Las reflectancias espectrales de los centauros también sugieren la presencia de tolinas en sus superficies. [45] [46] [47] La ​​exploración de New Horizons del objeto clásico del cinturón de Kuiper 486958 Arrokoth reveló un color rojizo en su superficie, sugestivo de tolinas. [7] [48]

Cometas y asteroides

Las tolinas fueron detectadas in situ por la misión Rosetta al cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko . [49] [50] Las tolinas no son típicamente características de los asteroides del cinturón principal, pero han sido detectadas en el asteroide 24 Themis . [51] [52]

Tholins más allá del Sistema Solar

También es posible que se hayan detectado tolinas en el sistema estelar de la joven estrella HR 4796A utilizando la cámara de infrarrojo cercano y el espectrómetro multiobjeto (NICMOS) a bordo del telescopio espacial Hubble. [53] El sistema HR 4796 está aproximadamente a 220 años luz de la Tierra. [54]

Véase también

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