L'Esobiologia e la ricerca dell'origine della vita Con questa breve relazione presenterò i caratteri principali dell esobiologia, una nuova scienza che si sta recentemente affermando, il cui scopo è quello di studiare le origini della vita sulla terra e su altri pianeti. Secondo gli scienziati evoluzionisti, la "ricetta" per ottenere la vita è relativamente semplice: luce, acqua, calore, atmosfera, e molecole organiche; nelle condizioni postulate dagli evoluzionisti, la vita sarebbe nata dagli elementi inerti presenti sulla Terra in seguito al Big Bang (abiogenesi); questo però viene contestato dai sostenitori della legge della biogenesi di Pasteur, i quali asseriscono che non è possibile creare la vita utilizzando solo degli elementi inerti. Esiste perciò un altra teoria che sostiene che la vita sia giunta sulla Terra da un altro pianeta (Marte?), ma questo non fa che spostare il problema: come ha avuto origine la vita su Marte? Mi occuperò quindi solo della prima ipotesi, andando ad indagare sui fatti che possono avere portato alla nascita della vita sulla Terra. L Esobiologia, dato il suo aspetto multidisciplinare, coinvolge astronomi, biologi, fisici, chimici e geologici, passando dall analisi dei mattoni base per la formazione della vita nell universo fino al tentativo di stabilire contatti radio con eventuali civiltà extraterrestri evolute. Il primo passo per la formulazione di ipotesi sulla vita su altri pianeti è quello di analizzare la nascita della vita sul pianeta Terra. Infatti il nostro pianeta presenta (o ha presentato) alcuni aspetti fondamentali per la formazione della vita: temperatura, dimensioni, presenza di acqua e di un satellite sufficientemente grande. La temperatura è, infatti, essenziale: un pianeta troppo distante dalla stella madre o uno troppo vicino (come Mercurio) presentano temperature eccessivamente basse e alte rispettivamente: infatti, anche se sappiamo che alcuni batteri terrestri possono vivere a condizioni di vita estreme, perché la vita si possa sviluppare è necessaria una distanza ragionevole dalla stella; nel caso del sistema solare, ad esempio, questa fascia può essere individuata tra Venere e Marte (la nostra Terra, infatti, si trova in mezzo a questa fascia). Anche un nucleo caldo e attivo favorisce la formazione della vita, grazie alla fornitura di energia essenziale allo sviluppo dei microrganismi. Inoltre, un pianeta che mantenga liquido il suo interno, grazie all'elevata temperatura del nucleo, sarà sicuramente dotato di un campo magnetico, fattore importante per la protezione delle forme di vita dalle radiazioni solari e dai raggi cosmici, altamente ionizzanti e quindi "ostili" alla vita. Importante è anche la dimensione del piante: un pianeta troppo piccolo ha una debole attrazione gravitazionale e non è in grado di trattenere l atmosfera, mentre uno eccessivamente grande presenta una pressione al livello del suolo inadatta ad ospitare la vita. Pagina 1 di 5
Altro elemento essenziale è, come abbiamo detto, l acqua: questo composto fondamentale per gli organismi viventi, che in caso di spinta disidratazione muoiono, si può trovare solo in pianeti con ben determinate condizioni di temperatura e pressione; nel caso dei due pianeti vicini al nostro, Marte e Venere, abbiamo che la pressione di 90 atmosfere e la temperatura di 490 C del secondo e la temperatura di 60 C e la pressione di 6 millesimi di atmosfera del primo non sono adatte alla presenza di acqua allo stato liquido. L ultimo fattore, che sembrerebbe ininfluente ad un primo esame, è la presenza di un satellite di dimensioni sufficienti a stabilizzare il pianeta: la Terra, con la sua Luna di dimensioni relativamente elevate, ha un asse di rotazione con una inclinazione più o meno costante, mentre Marte, a causa della piccolezza dei suoi satelliti, ha un asse che ha subito cambiamenti di inclinazioni relativamente rapidi, anche di 60-80, con conseguenti sconvolgimenti climatici, tanto che l acqua, una volta presente abbondantemente sulla superficie del pianeta, è ora scomparsa, anche se si ipotizza la presenza di laghi sotterranei. Tanto per fare un esempio dell influenza dell inclinazione dell asse del pianeta sul clima, basti pensare che la minima variazione di 2 provocata dalla Luna sulla Terra ha dato origine al fenomeno eclatante delle glaciazioni. Oltre a questi fattori, bisogna ricordare un altro requisito essenziale: la presenza del carbonio, elemento alla base della vita come noi la conosciamo. Senza stare ad approfondire l argomento, specifico della biologia, ricordiamo che il carbonio è presente nei carboidrati, nei lipidi, negli amminoacidi e conseguentemente nelle proteine, macchine che svolgono funzioni essenziali nelle cellule degli organismi viventi. Infine, una altra caratteristica importante del pianeta è l atmosfera, ovvero l insieme di gas attorno al pianeta che viene trattenuto dall attrazione gravitazionale. Infatti questi gas rappresentano l ambiente in cui gli organismi si svilupperanno. Nel caso della Terra, essa aveva inizialmente una atmosfera simile a quella di Giove, costituita cioè da idrogeno, elio, metano, ammoniaca ed acqua allo stato di vapore, ma in seguito ad una sconvolgimento fu privata di questa atmosfera e se ne formò lentamente un altra grazie alla evaporazione dei ghiacci portati dalle comete, composta principalmente da H 2 O, azoto molecolare e anidride carbonica. La Terra aveva una temperatura più bassa di quella di Venere perché più lontana dal Sole (il calore interno conta relativamente poiché, viste le somiglianze tra i due pianeti, si può considerare all'incirca della stessa entità), per cui il vapore acqueo prodotto per degassamento, attività vulcanica ed evaporazione dei ghiacci portati dai planetesimi, ha potuto raggiungere, in atmosfera, la saturazione, condensando e formando gli oceani. La formazione di grandi quantità di acqua liquida è stata importantissima perché ha potuto dare il via ad un primordiale "ciclo del carbonio", uno dei cicli biogeochimici fondamentali per la vita sulla Terra: negli oceani, infatti, si è disciolta, sotto forma di carbonati, la stragrande maggioranza della CO 2 (secondo alcuni calcoli, negli oceani sarebbe attualmente disciolta una quantità di CO 2 pari a 50 volte quella presente in atmosfera). Pagina 2 di 5
A questo punto, si pone un problema: l atmosfera era di tipo ossidante o riducente? H. C. Urey, dell'università di Chicago, premio Nobel per la chimica, supponeva che l'atmosfera primordiale fosse riducente (ricca di gas contenenti idrogeno come CH 4 ed NH 3 ), e ciò ispirò l'esperimento Miller-Urey, forse il più conosciuto, e tra i primi nel suo genere. Furono ricreate in laboratorio le condizioni primordiali ipotizzate: l'atmosfera era simulata da gas come metano, ammoniaca e idrogeno, mentre l'oceano era simulato da vapore acqueo. I gas furono fatti attraversare da scariche elettriche, e ne risultò la produzione di alcuni amminoacidi (composti organici), che insieme costituiscono le proteine, atte anche alla duplicazione del DNA, che è la base del nostro codice genetico. Solitamente si pone l'enfasi sulla produzione degli amminoacidi, ma non viene dato risalto al fatto che in questo e in altri esperimenti simili furono prodotti miscugli racemici (in uguale quantità) di amminoacidi destrogiri e levogiri. In natura quasi tutti gli amminoacidi che compongono le proteine sono levogiri, mentre gli acidi nucleici sono esclusivamente destrogiri. Non può nascere alcuna forma di vita da una qualunque combinazione di entrambi; anche un solo amminoacido destrogiro, aggiunto a una catena di amminoacidi levogiri, può modificare la proteina rendendola non attiva biologicamente. Questo perciò rende il celeberrimo esperimento inutile dal punto di vista scientifico, anche perché fu condotto con livelli inaccettabili di interferenza umana. Secondo recenti esperimenti di laboratorio e ricostruzioni al calcolatore dell'atmosfera, inoltre, le radiazioni Uv di origine solare avrebbero, nel caso l'atmosfera fosse stata riducente, distrutto le molecole contenenti idrogeno presenti nell'atmosfera, perché non filtrate dallo schermo di ozono (se non c'era ossigeno ), causando la perdita nello spazio dell'idrogeno libero. Questi risultati fanno ritenere che i componenti più abbondanti dell'atmosfera fossero anidride carbonica (CO 2 ) e azoto molecolare (N 2 ), espulsi dai vulcani e dalle rocce per degassamento: questo tipo di atmosfera, ossidante, non avrebbe favorito la sintesi né di amminoacidi, né di altre molecole fondamentali per lo sviluppo della vita. Però, altri studi indicano che le nubi potrebbero aver protetto i gas contenenti idrogeno dalle radiazioni ultraviolette; contemporaneamente, il vento solare e i raggi cosmici potrebbero aver favorito la sintesi di idrogeno libero - e, di conseguenza, di CH 4 ed NH 3 - dalla dissociazione di molecole d'acqua. Si pensa, perciò, che ad un certo punto l atmosfera fosse satura di vapore acqueo; su questo strato gassoso di H 2 O agivano indisturbati i raggi ultravioletti solari; quelli di lunghezza d'onda appropriata (minore di 2000 Å) davano il via ad un fenomeno dissociativo noto come "fotolisi dell'acqua", liberando ossigeno. Quest'ultimo, che a -50 C non condensa, passa in parte sopra lo strato di vapore acqueo sotto forma di ozono (O 3 ), assorbendo gli Uv e proteggendo lo Pagina 3 di 5
strato gassoso di vapore acqueo prima che questi lo raggiungessero (si ritiene che questo meccanismo di protezione sia divenuto efficace quando l'ossigeno raggiunse un valore di pressione parziale nell'atmosfera pari almeno ad 1/1000 di quello attuale). A tal proposito, è importante ricordare che nel caso di un pianeta come Venere questo fenomeno ha portato alla perdita totale dell acqua: gli Uv solari hanno potuto distruggere tutto il vapore acqueo in atmosfera, liberando idrogeno (fuggito in gran parte nello spazio) e ossigeno (che ha formato ossidi sulla crosta). Sulla Terra ciò non è accaduto soprattutto perché la maggior parte dell'h e O è stata preservata dalla decomposizione fotolitica grazie al fatto di essere riuscita a passare allo stato liquido proprio per il fenomeno della condensazione. L'ossigeno, però, non assorbe gli Uv di lunghezza d'onda pari a 2500-3500 Å (che distruggono le molecole biologiche); questi, quindi, potevano arrivare fino alla crosta, e potevano essere schermati solo da uno strato d'acqua di qualche metro. Ciò escluderebbe la vita sulla terraferma o in piccole pozze, ma non la formazione di molecole organiche complesse ad opera degli Uv; la profondità dello strato protettivo d'acqua, poi, non doveva essere eccessiva, altrimenti la scarsità di luce di appropriata lunghezza d'onda non avrebbe favorito la comparsa della fotosintesi. Per bloccare la frazione di Uv biologicamente letale almeno al livello superficiale dell'oceano, rendendolo quindi tutto disponibile alla vita, la pressione parziale dell'ossigeno libero doveva arrivare a circa 1/100 dell'attuale. Il contributo a questo aumento di ossigeno libero è arrivato, probabilmente, dalla comparsa delle prime forme bentoniche (cioè di mare profondo) che eliminavano ossigeno In questo modo, l atmosfera del nuovo pianeta è divenuta adatta alla vita di superficie. Questa è, in sintesi, l attuale ipotesi formulata dalla esobiologia sull origine della vita sulla Terra: come si vede, non dà vere e proprie spiegazione, ma tende più che altro ad elencare una serie di caratteristiche che dovrebbero avere i pianeti per poter ospitare la vita come noi la conosciamo. Per quanto riguarda l aspetto pratico della esobiologia, può essere interessante ricordare il caso del Vostok Lake. Scoperto nella base russa di Vostok, in Antartide, nel 1996, è un lago sotterraneo, situato a circa 3600m sotto il livello attuale del ghiaccio. Il ghiaccio che lo sovrasta dovrebbe risalire a circa 420'000 anni fa (vedi immagine 2), per cui, analizzando le acque del lago, risalenti a milioni di anni fa, si potrebbe avere un indicazione della vita presente prima delle glaciazioni e quindi si potrebbero ottenere informazioni essenziali sulla formazione della vita sulla terra. Si pone però un problema, che è un problema di fondo della esobiologia: come analizzare il lago senza contaminarne le acque con i nostri batteri? Se infatti si utilizzassero strumentazioni contaminate, il soggetto da analizzare presenterebbe poi forme di vita non originarie, ma portate da noi, e potrebbe risultare arduo determinare se esse siano autoctone o importate accidentalmente dalla sonda. Come ha detto lo scienziato chimico atmosferico James H. Butler, il lago (o un eventuale pianeta da analizzare) è il corrispondente biologico del principio di indeterminazione di Heinsenberg: come analizzarlo senza contaminarlo? Pagina 4 di 5
lago di Vostok (David Karl, oceanografo). Immagine 2 Anche l ipotesi sull impiego di robot idraulici, avanzata per lo studio di Europa o anche del lago Vostok, è stata scartata, perché esperimenti condotti in un acquario in Giappone hanno dimostrato che l acqua viene contaminata dagli scarichi idraulici del robot. Studiare il lago di Vostok è divenuto anche un principio etico: Come portare un campione del lago di Vostok in superficie per analizzarlo? Nessuno vuole scritto sulla sua lapide: ho contaminato il Stefano Masi Liceo Fermi 4 F Bibliografia http://astroemagazine.astrofili.org http://www.ips.it/scuola/concorso/taramelli/belloni.html#la%20vita http://www.bo.astro.it/~universo/webcorso/webleggere/palumbo/pal1.html http://www.earthinstitute.columbia.edu/news/story3_2_01.html Pagina 5 di 5