Sobre la formación abiótica de fosfano (fosfina) en la atmósfera de Venus

Por Francisco R. Villatoro, el 19 septiembre, 2020. Categoría(s): Biología • Ciencia • Noticias • Science ✎ 7
Observación de ALMA de la línea de absorción del fosfano en Venus (izq.); se observa (der.) en latitudes intermedias de Venus (curva azul), pero está ausente en los polos (curvas negra y roja). DOI: 10.1038/s41550-020-1174-4

Ya conoces la noticia científica de esta semana, la observación en la atmósfera de Venus de fosfano (PH3), también llamado fosfina, nombre obsoleto según la IUPAC. Se ha publicado en Nature Astronomy  la aparente detección por ALMA (marzo de 2019, Chile) y JCMT (junio de 2017, Hawaii) de una línea de transición rotacional a 1.123 mm del PH3. Con un modelo de «juguete» (toy-model) de la atmósfera venusiana se estima una concentración de ~20 ppb (20 partes por millardo). Según los autores no existe ningún mecanismo abiótico que explique la formación de tanto fosfano en Venus debido a que su atmósfera es muy oxidante, lo que sugiere que el fosfano podría ser un biomarcador. Sin embargo, hay una explicación abiótica olvidada por los autores en su artículo, la descomposición del ácido fosforoso formado a partir de óxido de fósforo; nos lo desveló el genial Jorge Pla-García en el episodio 285 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido.

En lugar de microorganismos venusianos productores de fosfano que sobreviven en gotas de ácido sulfúrico, con una bioquímica desconocida, la hipótesis más plausible es el mecanismo estándar para su producción abiótica. Las gotas de ácido sulfúrico podrían contener ácido fosforoso que precipitan (llueven), calentándose al descender hacia abajo; al alcanzar una temperatura entre 205 y 210 °C el ácido fosforoso (H3PO3) se descompone en ácido fosfórico (H3PO4) y fosfano (PH3), vía la reacción química 4 H3PO3 → 3 H3PO4 + PH3. Según los autores del artículo en Nature Astronomy (que fue rechazado en Science) no hay suficiente ácido fosforoso en Venus porque se produce por reducción del ácido fosfórico (proceso muy poco eficiente en la atmósfera oxidante de Venus); sin embargo, olvidan mencionar que también se puede producir sin ácido fosfórico a partir del óxido de fósforo (no comentan nada ni siquiera en su artículo de 103 páginas enviado a Astrobiology). Las sondas espaciales soviéticas Vega 1 y Vega 2 observaron óxido de fósforo III (P2O3), que en presencia de agua (H2O) produce ácido fosforoso (vía la reacción P2O3 + 3 H2O → 2 H3PO3).

Además, la concentración estimada (~20 ppb) podría estar sobreestimada. Por un lado, se ajusta la línea observada por JCMT, que es mayor que la observada por ALMA; si se ajustara cambiaría el valor obtenido en un factor entre 2 y 3, manteniendo su orden de magnitud, pero hubiera estado bien detallarlo. Y por otro lado, la línea de absorción observada es más ancha de lo esperado para el PH3; como hay una línea próxima del óxido de azufre IV (SO2), podría haberse observado la suma de ambas líneas; en dicho caso, la concentración de fosfano podría estar sobreestimada hasta en varios órdenes de magnitud. De hecho, en redes sociales varios expertos han puesto en duda la observación del fosfano, afirmando que se ha observado dióxido de azufre, que se sabe que abunda en la atmósfera venusiana. Por cierto, los autores de los artículos en Nature Astronomy y Astrobiology  mencionan de pasada el dióxido de azufre como posible contaminante; sin embargo, no discuten en detalle ni cuantifican su posible contribución (si yo fuera revisor de dichos artículos les hubiera exigido hacerlo).

La ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia; podría haber vida microbiana en la atmósfera de Venus, pero hasta que estudiemos en detalle la atmósfera venusiana no podremos decidir esta cuestión. El fosfano en Venus promete ser el «nuevo» metano en Marte. Mientras tanto, la comunidad científica tendrá que discutir si el fosfano es un nuevo biomarcador en exoplanetas rocosos, o las explicaciones abióticas actuales recomiendan descartarlo. El artículo es Jane S. Greaves, Anita M. S. Richards, …, Jim Hoge, «Phosphine gas in the cloud decks of Venus,» Nature Astronomy (14 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4, arXiv:2009.06593 [astro-ph.EP] (14 Sep 2020); se descartan algunos posibles mecanismos de formación abiótica del fosfano en William Bains, …, Jane S. Greaves, Anita M. S. Richards, «Phosphine on Venus Cannot be Explained by Conventional Processes,» Astrobiology (submitted), arXiv:2009.06499 [astro-ph.EP] (14 Sep 2020). Sobre la misión soviética Vega recomiendo Vladimir A. Krasnopolsky, «Vega mission results and chemical composition of Venusian clouds,» Icarus 80: 202-210 (1989), doi: https://doi.org/10.1016/0019-1035(89)90168-1.

A nivel divulgativo recomiendo la lectura de la estupenda pieza de Derek Lowe, «Phosphine, Life, and Venus,» In the pipeline, Blog in Science Translational Medicine (15 Sep 2020) [enlace], y en español al genial Daniel Marín, «¿Vida en la atmósfera de Venus? El misterio del fosfano en el planeta gemelo de la Tierra», Eureka, 14 sep 2020.

Sobre la posibilidad de vida aérea en Venus, recomiendo el breve artículo de Harold Morowitz, Carl Sagan, «Life in the Clouds of Venus?» Nature 215: 1259-1260 (16 Sep 1967), doi: https://doi.org/10.1038/2151259a0. Por cierto, se estima la cantidad de biomasa necesaria para producir el fosfano en Manasvi Lingam, Abraham Loeb, «On The Biomass Required To Produce Phosphine Detected In The Cloud Decks Of Venus,» arXiv:2009.07835 [astro-ph.EP] (16 Sep 2020); el resultado es enorme comparado con la biomasa que puebla la atmósfera terrestre. Sobre la posible observación de fosfano en el comete 67P recomiendo Kathrin Altwegg, Hans Balsiger, …, Peter Wurz, «Prebiotic chemicals—amino acid and phosphorus—in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko,» Science Advances 2: e1600285 (27 May 2016), doi: https://doi.org/10.1126/sciadv.1600285.

[PS 16 oct 2020] Recomiendo leer a Josep M. Trigo-Rodríguez, «Fosfano en Venus: ¿evidencia de vida o de procesos abióticos?» Meteoritos y Ciencias Planetarias, Blog de Investigación y Ciencia, 15 sep 2020 (actualizada el 15 de oct 2020). «Las observaciones de la atmósfera de Venus con el Telescopio Infrarrojo de 3 metros que posee la NASA en el Observatorio de Mauna Kea (Hawai, EE.UU.) no muestran la banda de fosfano. La ausencia de detección en el infrarrojo indicaría que la abundancia debería de ser, como mínimo, cuatro veces inferior al nivel detectado por las medidas en radio. Por tanto, los especialistas concluyen que el fosfano o bien se encuentra en unos niveles inferiores que lo hacen indetectable en el rango infrarrojo o bien es altamente variable. El debate científico está servido y posiblemente nos proporcione nuevas enseñanzas sobre la detección de biosignaturas en otros entornos extremos de planetas extrasolares». [/PS]

Observación de JCMT de la línea de absorción del fosfano en Venus (izq.); ajuste a un modelo teórico (der.) para estimar la concentración de 20 ppb. DOI: 10.1038/s41550-020-1174-4

Se ha observado una sola línea espectral de absorción del fosfano (con longitud de onda de 1.123 mm) con dos instrumentos, por un lado el Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT) en Hawaii, en junio de 2017, y por otro lado ALMA en Atacama, Chile, en marzo de 2019. Para la estimación de la concentración de una sustancia a partir de un espectro hay que usar un modelo teórico detallado de la atmósfera. Sabemos que la atmósfera de Venus es muy oxidante, el 96 % es carbono en forma de dióxido de carbono (CO₂), siendo el resto azufre en forma de ácido sulfúrico (‎H2SO4), junto a trazas de otras substancias. El fosfano (PH3) es habitual en planetas con una atmósfera reductora, abundante en hidrógeno (por ello se ha observado en Júpiter y Saturno); también hay indicios en algunos cometas, como 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Ignoramos tanto de la composición de la atmósfera venusiana que parece imposible desarrollar un modelo atmosférico riguroso (la excusa en la que Jane S. Greaves y sus colegas se apoyan para proponer un modelo de «juguete» para realizar su estimación). La figura de arriba muestra el espectro observado por JCMT y su ajuste por dicho modelo de «juguete»; el artículo no muestra el ajuste de dicho modelo al espectro observado por ALMA (la figura que abre esta pieza). Muchos expertos afirman que la observación de una única línea de absorción genera muchas dudas sobre dicha estimación; máxime cuando podría estar contaminada por una línea próxima del dióxido de azufre. Ya ha habido varias falsas alarmas a este respecto; como el monóxido de carbono observado en la atmósfera de Titán a principios de los 1980, cuyo origen no se descubrió hasta 2008 (el criovulcanismo en Encelado produce agua que alcanza la lejana atmósfera de Titán).

Fuente: Seager et al. (2020) doi: https://doi.org/10.1089/ast.2020.2244.

Hasta que futuras misiones espaciales a Venus no exploren su atmósfera en detalle, la hipótesis de la existencia de vida microbiana aérea en este planeta no se puede descartar. ¿Cómo podría ser dicha vida? Las nubes terrestres albergan diversas especies de vida microbiana (bacterias, arqueas, eucariotas y virus); la mayoría de estos microorganismos residen dentro de las gotas de agua líquida en las nubes, aunque algunos también flotan libremente. Gracias a la metagenómica y la metatranscriptómica se tiene un buen conocimiento de la diversidad aeromicrobiana y de su metabolismo. Usándolo como modelo se puede especular sobre la posible aerovida venusiana (Sara Seager, Janusz J. Petkowski, …, Jane Greaves, «The Venusian Lower Atmosphere Haze as a Depot for Desiccated Microbial Life: A Proposed Life Cycle for Persistence of the Venusian Aerial Biosphere,» Astrobiology (13 Aug 2020), doi: https://doi.org/10.1089/ast.2020.2244).

La habitalidad venusiana se limita a una región en la atmósfera entre 48 y 60 km de altitud (recuerda que en la superficie se alcanzan 735 K). La vida pudo surgir en los (hipotéticos) oceános de agua líquida de Venus hace cientos o miles de millones de años (se cree que es un horno desde hace solo unos cientos millones de años). Una vez surgida la vida en superficie pudo pasar a la atmósfera y sobrevivir conforme la superficie se volvía inhabitable (algo similar a lo que ocurre en la Tierra con los organismos extremófilos). Los microorganismos venusianos podrían sobrevivir en el interior de gotas de ácido sulfúrico; no sería fácil, pues la acidez, el «pH», de estas gotas en Venus se estima en −11.5 (un valor extremo comparado con los valores más extremos en las zonas más ácidas de la Tierra, como el área geotérmica de Dallol). La mayoría de las sustancias bioquímicas conocidas son inestables en una concentración tan alta de ácido sulfúrico; así el metabolismo de la vida extremófila terrestre no nos ofrece información relevante sobre la posible vida venusiana.

Fuente: Seager et al. (2020) doi: https://doi.org/10.1089/ast.2020.2244.

Un problema adicional es la falta de agua. La atmósfera venusiana es muy seca, con una contenido en agua unas ~ 50 veces inferior a los lugares más secos de la Tierra. Los microbios venusianos podrían sobrevivir en gotas con un 85 % en volumen de ácido sulfúrico y un 15 % de agua. Se estima que en las nubes de Venus las gotas tienen una composición variable de sulfúrico, entre un ∼ 75 % en altitudes elevadas hasta ∼ 110 % (sulfúrico con un 10 % de trióxido de azufre) en la base de las nubes. Además, la escasez de hidrógeno en la atmósfera y de otros metales no volátiles limita los nutrientes disponibles para los microorganismos; las únicas fuentes razonables son el aporte debido a los meteoritos y el transporte de polvo emitido por el vulcanismo, pero no sabe cuantificar si es suficiente para sostener una biosfera aérea que pueda ser responsable del fosfano observado. La vida aeromicrobiana en Venus debería ser fotosintética, vía una fotosíntesis anoxigénica basada en azufre (de hecho, hay indicios de líneas de absorción en el ultravioleta en la atmósfera venusiana, como Sanjay S. Limaye, Rakesh Mogul, …, Parag Vaishampayan, «Venus’ Spectral Signatures and the Potential for Life in the Clouds,» Astrobiology 18: 1181-1198 (2018), doi: https://doi.org/10.1089/ast.2017.1783).

Bajo estas hipótesis, Sara Seager y sus colegas proponen el ciclo de vida microbiana que se resume en la figura de arriba. En la parte inferior de las nubles, donde la atmósfera es muy seca, los microbios estarían en forma de esporas (1) que serían transportadas hacia arriba por ondas de gravedad (2) hacia una capa habitable donde acabarían encerradas en gotas líquidas (3). Conforme siguen ascendiendo (proceso que puede durar meses), las bacterias que viven en las gotas de sulfúrico y agua se alimentan de nutrientes y se reproducen cuando entran en contacto con otras bacterias cuando las gotas su fusionan en gotas de mayor tamaño (4). La gravedad acaba dominando y las gotas grandes acaban precipitando hacia abajo, la temperatura crece y las gotas se evaporan (5); los microorganismos se protegen formando esporas que acaban en la parte baja de las nubes, donde el ciclo se repite (1).

Por supuesto, estas ideas generales sobre el ciclo de vida venusiana son muy especulativas y queda mucho trabajo pendiente para que se concreten en un modelo que realice predicciones que se puedan contrastar con las observaciones de las futuras misiones espaciales a Venus. Además, otros astrobiólogos seguro que propondrán ciclos de vida alternativos. En cualquier caso, lo que parece claro es que conocemos muy poco sobre nuestro planeta gemelo; por cierto, la misión BepiColombo hacia Mercurio realizará dos asistencias gravitacionales en Venus (el 15 de octubre de 2020 y el 10 de agosto de 2021) que se aprovecharán para buscar fosfano (solo se espera observarlo en el segundo sobrevuelo, más cercano al planeta). Todo apunta a que el fosfano será el motor que necesita la exploración venusiana en las próximas décadas. Incluso si al final todo se queda en un simple mecanismo abiótico, todo lo que aprendamos sobre el cambio climático en Venus nos ayudará a entender el futuro del cambio climático en la Tierra.



7 Comentarios

  1. Querido Francisco; aprovecho ser el primer comentario de tu entrada la es una una vela más que ilmuna la oscuridad (parafraseando al gran Sagan) de los medios con portadas de diarios que sólo traen confusión a los lectores que nunca llegan es estos blogs científicos. Siempre te leo todas las mañanas ansioso por enterarme de novedades (en especial astrofisica y teoria computacional) pero también por ver entradas (como esta) donde hechas luz a un tema ya mal traído en los medios masivos. Sólo soy un entuasista lector de ciencia y tecnología, librepensador de pensamiento crítico que baraza el método científico como la única herramienta que hoy tenemos los seres humanos para comprender la Realidad. Bueno, demasiado largo mi comentario pero quería hacerlo algún día. Un abrazo desde Argentina. Juan.

    1. Me parecen geniales los modelos que explican la vida extraterrestre. Entiendo además que estos modelos contemplan la certeza de que esos vestigios son y serán lo mas parecedo a la vida que encontraremos fuera de aquí. Y finalmente, comparto la inquietud de la Nasa que si hay vida en las excretas de astronauta que dejamos por lastre en la luna, se abrirá una linea de investigación interesantísima, tan válida como los fofanos!

  2. Francis:

    Maravillosa entrada. Había estado leyendo sobre esta noticia en distintas fuentes; resulta difícil enterarse, al menos para los que somos legos, del panorama global. Esperé a leer su valoración, y como siempre, fue gratificante la espera.

    Alucinantes los comentarios y los artículos de Petkowski y Greaves sobre posibles ciclos de vida venusinos. Realmente fascinante.

    Gracias.

  3. Hola he leido bien?…»que serían transportadas hacia arriba por ondas de gravedad»
    que asidero físico tiene eso, corriente convectiva no es mas acertado como explicación.
    Sara Seager es la misma que ha propuesto una modificación de la ecuación de Drake , que modificael numero posible de planetas que pueden contener vida, curiosamente introduce un termimo que es la probabilidad de hallar un marcador gaseoso…
    https://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Drake#Modificaciones_a_la_ecuaci%C3%B3n

    Mas que aporte a la ciencia, es lotería y juntar harina para su propio costal…
    Alguien ha leído algún paper sobre cuales son las condiciones ambientales para que las bacterias anaeróbicas terrestres produzcan trazas de fosfina… porque de eso partimos…

    solo en este articulode Nature hay una referencia y nada concluyente

    «Potential formation mechanism of phosphine in Antarctic soils
    The bacterial abundance in penguin and seal colony soils and their adjacent tundra soils ranged from 2.5 × 1010 to 1.23 × 1012 gene copies g−1 soil (Fig. 5a). The gene copies in penguin colony soils were one to two orders of magnitude higher than those in seal colony soils, their adjacent tundra soils and the local background soils. There is a significant positive correlation between MBP concentrations and the bacterial abundance, invertase and phosphatase activity (Fig. 5b, c, d). Our results confirm that the production of PH3 is associated with microbial activity and all kinds of soil organic or inorganic phosphorus compounds from penguin guano or seal excreta can be reduced to PH3 through the bacterial activity under the Antarctic environmental conditions.»

  4. Hola! qué tal!! como poco la hipótesis es excitante, verdad??
    Creo que la hipótesis del fosfano a partir del fosforoso está de hecho explicada en el artículo de Greaves. A lo mejor me equivoco, pero creo que está al final en información complementaria. Están todas las reacciones en equilibrio y demás. Muy bonito!

    A ver si se encuentra vida de una vez!!!!!

  5. Al menos puede que sirva para estudiar más en detalle a Venus.

    Una posibilidad para el agua en Venus está en esos eventos en los que la corteza se vuelve del revés cada pocos cientos de millones de años (si pasan), cuando el vulcanismo a tal escala emitiría mucho vapor de agua, que permitiría de paso aclarar la atmósfera, antes de que se perdiera al espacio: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001Icar..150…19B/abstract

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