Lo verdaderamente notable de la naturaleza es que el carácter del universo entero dependa de la posición de un nivel de energía concreto en un núcleo atómico concreto…Y eso marca toda la diferencia en el mundo.
Richard Feynmann.
Todos somos carbono…
Hugo López Cantú.

 

Si la Tabla Periódica fuera un cómic, una historieta, el personaje del carbono sería definitivamente el superhéroe mejor dotado de habilidades. Empezando porque es un elemento tetravalente, sin duda su principal habilidad.

 

Veámoslo más de cerca:

Elemento número 6 de la Tabla Periódica

Símbolo: C

Masa atómica: 12,01

Estructura: 1s22s22p2

 

Su estructura atómica le brinda un sinfín de posibilidades para unirse a otros elementos formando compuestos orgánicos o inorgánicos. Entre ellas, la formación de cadenas extremadamente largas de polímeros, lo cual fue, probablemente, el mecanismo que permitió la auto organización de la vida misma. Analicemos con detalle el Curriculum Vitae de nuestro superhéroe.

El carbono en la corteza terrestre es aproximadamente el decimoquinto en abundancia. En su estado natural se puede encontrar en forma de cuerpo simple como carbón o, ni más ni menos como diamante.

El carbono en la corteza terrestre es aproximadamente el decimoquinto en abundancia.

El primero sería una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono, que también contiene hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno. Se considera que la mayoría de este mineral se formó a partir de vegetales que crecieron hace aproximadamente 300 millones de años. En otras palabras, es contemporánea de los dinosaurios. En esta forma el carbono es una fuente no renovable de energía fósil, y los tres países con las mayores reservas de carbón probadas (casi el 50% de reservas mundiales en conjunto) son Estados Unidos, Rusia y China.

La otra forma simple, el diamante, cuyo nombre proviene del griego adamás y significa invencible, es uno de los minerales más preciados en el mundo por sus características físicas y ópticas. El diamante natural se forma en condiciones de presión y temperatura extremas, dando origen a una estructura cristalina cúbica. Ésta se forma a profundidades de unos 200 kilómetros y tiene una edad de alrededor de 2 mil millones de años –la mitad de la edad de la Tierra. La siguiente vez que vea uno, ¡recuerde esta cifra! Como resultado de tan extremosas condiciones, la red cristalina de diamante le brinda una extraordinaria transparencia (con una banda prohibida de 5.5 eV) y dureza. El diamante es tan duro que sólo puede ser cortado por otro diamante. Por ello es tan preciado para herramientas de ingeniería de gran precisión. Aunque también podríamos decir que es el lado romántico de nuestro superhéroe.

Antes de analizar otros de sus compuestos, veamos qué otros isotópos simples tiene este elemento. Isótopos podríamos llamarles a los primos hermanos de nuestro superhéroe: átomos con la misma cantidad de protones en sus núcleos, pero diferentes cantidades de neutrones. El más cautivante, sin duda alguna, es el isótopo Carbono-14, un isótopo inestable que se descompone radioactivamente.

Pero, ¿por qué este primo del carbono nos cautiva?  ¡Porque es una máquina de tiempo!

Una herramienta brindada por la naturaleza y descubierta en 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben para determinar la edad de los fósiles con base en el conocimiento del tiempo de su vida media. Este isótopo se produce constantemente en la atmósfera como consecuencia del bombardeo por los rayos de la radiación cósmica. En consecuencia, las plantas y los seres vivos lo absorben mientras están vivos. Al morir, la planta o el animal dejan de absorberlo y el contenido residual decae radioactivamente, por lo que la edad del fósil se puede calcular con base en una simple ecuación diferencial que modela la Ley de Crecimiento de Población (o decrecimiento, en este caso). Gracias a este elemento y esta técnica conocemos las edades de animales que se han extinguido en los últimos 50 mil años y la artesanía de los primeros seres humanos.

Gracias a este elemento y esta técnica podemos datar la artesanía de los primeros seres humanos.

Otro isótopo conocido es el Carbono-12. Es un isótopo estable, ya que contiene a un neutrón por cada protón que tiene en su núcleo y fue seleccionado tiempo atrás para determinar en su base a, ni más ni menos, la definición del mol. Con base en esta unidad se mide la cantidad de substancia en la química.

Ahora, al revisar a los familiares del superhéroe carbono con sus primos y hermanos, pasemos a sus demás relaciones, ¡que vaya son complicadas!

Aunque frecuentemente asociemos al carbono con la vida, existen compuestos inorgánicos con que se forman con él: son aquellos que no contienen enlaces entre átomos de carbono, pero sí con otros elementos. Los más conocidos son el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO2). El primero es famoso por su toxicidad y, por ejemplo, por utilizarse en las guerras del siglo XX como arma biológica, ya que su molécula presenta una gran afinidad por la hemoglobina (cientos de veces superior a la del oxígeno). El segundo se menciona todos los días en las noticias en temas de ecología, ya que es un gas de efecto invernadero que tiene influencia sobre el medio ambiente de nuestro planeta.

Pero donde más “familiares” tiene nuestro superhéroe, es, sin duda, en el “pueblo” de los compuestos orgánicos. No sólo estamos rodeados de ellos,  sino que estamos prácticamente hechos de ellos. La razón es que el carbono puede compartir hasta 4 electrones de su órbita de valencia para enlazarse con otros elementos. Hoy en día se conocen más de dos millones de tales compuestos y no hay seguridad de que éstos sean todos los posibles. Resulta única, entre todos los elementos conocidos, su habilidad para formar enlaces de distinta geometría entre los propios átomos de carbono, ya que éste puede enlazarse entre sí formando largas cadenas lineales, ramificadas; puede formar anillos y esferas, tubos y planos bidimensionales, resultando en todo un mundo de substancia con una infinidad de propiedades. La complejidad y diversidad de compuestos con base en carbono resulta de formar mega-moléculas de miles o hasta millones de átomos, que reciben el nombre de polímeros.

En la vida cotidiana usamos desde el caucho – un polímero que se produce naturalmente en la corteza de algunos árboles – hasta los derivados del petróleo. Más allá del combustible, en la vida moderna del siglo XXI, dos terceras partes de objetos que nos rodean están hechos con algún tipo de plástico obtenido del petróleo.

A partir de este tipo de moléculas también se forman las grasas, las proteínas y los ácidos nucleicos. Por ejemplo, la glucosa, que se forma en la fotosíntesis, es el principal combustible de los seres vivos.

Cadenas largas de aminoácidos forman a las proteínas a través del intercambio de las cuales funcionan nuestros mecanismos biológicos. Este proceso es conocido como metabolismo. Conocemos sólo 20 aminoácidos, pero pueden formar una gran variedad de proteínas. Conocemos a algunos de ellos por su nombre: elastina, gluteina, insulina, colágeno, entre otros. Entre sus funciones se encuentra la formación de anticuerpos que protege a los organismos de las infecciones, enfermedades. El colágeno, por ejemplo, es un material esencial para la formación de tendones —mecanismos del movimiento—. La queratina forma las estructuras del cabello y las uñas, mientras que la actina y la milosina constituyen los músculos.

Unas son reservas y fuentes de energía, otras son formadoras de caparazones de insectos y animales marinos. Otras son, inclusive, la materia que forma la memoria misma, según el estudio reciente publicado en Genome Biology (el nombre de la proteína es Staufen homolog 2). No bastaría un libro completo para describirlos a todos.

Entre los compuestos orgánicos debemos destacar al ácido desoxirribonucleico, o ADN, que también está formado por las macromoléculas unidas por los átomos de carbono, llamados en general nucleótidos. Este es el material genético que controla cada célula; por ejemplo, controlan la síntesis de proteínas. Es el material de carácter hereditario (sabe reproducirse a sí mismo), gracias al cual fue posible la evolución de vida en la Tierra.

En la ciencia moderna de materiales juegan un papel importante los tal llamados “materiales del futuro”, que son los nanotubos de carbono, los fulerenos y los grafenos – estructuras interesantes de carbono con propiedades versátiles que podrían ayudarnos a resolver la crisis energética y trascender al “mundo del mañana”, que han soñado los escritores de ciencia ficción más atrevidos. Por cierto, estos soñadores usaron carbono (grafito, corazón de un lápiz) para escribir sus historias sobre…carbono (celulosa, base del papel).

Sin duda alguna podemos afirmar que el carbono jugó el papel más importante en la formación de la vida en la Tierra como la conocemos, en todos sus aspectos, incluyendo creatividad y comodidades. Ésta es la razón por la que buscamos vida con base en el carbono en otros planetas. Podría ser que sí la encontremos de esta forma, pero, ¿existiría otra base elemental que forme toda una historia de evolución completamente diferente?

¿Podría existir en otros mundos su propio y único superhéroe? C2

 

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Sobre el autor

CIMAV

Investigador del Centro de Investigación en Materiales Avanzados, nivel I del SNI. Sus líneas de investigación se centran en la automatización y control de procesos de manufactura, soluciones algorítmicas para ahorro de energía, entre otras. Es un fotógrafo excepcional y le fascina tocar el acordeón.

2 Comentarios

    • Martiniano Mendez Aguirre -

    • 1 febrero, 2019 - 21:38 pm

    Excelente artículo.

    • Artyom -

    • 1 febrero, 2019 - 16:35 pm

    Muy buen artículo. Y lo más interesante es que autor forma parte de un maravilloso grupo musical – “Las historias del Carbono”. Muy recomendable.

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