Incontri di AstronomiaTolentino (MC) - 8 novembre 2010

Manlio Bellesi

LA VITA

NELL’ UNIVERSO

La prima domanda è senz’altro la più DIFFICILE!

CHE COS’È LA VITA?

NASA exobiology program:“Sistema chimico autosufficiente, soggetto a evoluzione darwiniana”

Possibile traduzione in italiano…

“Vita” è un qualsiasi sistema in grado di regolarsi in modo autonomo attraverso reazioni chimiche, capace di riprodursi e di evolversi (e anche di morire)

CONTROESEMPIO :un mulo non può essere “vivo” !!

V I T A : GLI INGREDIENTI

� Molecole (almeno di una certa complessità )

� Una sorgente di energia

� Un sistema di gestione delle reazioni chimiche�

� Un solvente per le molecole interagenti

Tali requisiti implicano la presenza di:

ACQUA (allo stato liquido)

CARBONIO

PERCHÉ L’ACQUA ?� Serve un ambiente liquido per dissolvere le molecole e favorire le reazioni chimiche

� L’acqua è un solvente quasi universale ed è un composto molto comune nell’Universocomposto molto comune nell’Universo

� Si trova allo stato liquido nell’intervallo “giusto” di temperature: non troppo…

… BASSE da bloccare i processi chimici fondamentali

... ALTE da spezzare i legami tra le molecole organiche

PERCHÉ IL CARBONIO ?

� È tra gli elementi più abbondanti nell’Universo

(preceduto solo da: H, He, O, Ne, N)

� È il più versatilenella formazione di legami chimici� È il più versatilenella formazione di legami chimici

� Forma molecole grandi, con struttura articolata, adatte a svolgere funzioni complesse come quelle dei processi vitali

� I legami che forma si dissolvono facilmente nell’acqua

ALTERNATIVE (?)� Abbiamo in mano solo IPOTESI

� Alcuni microorganismi esplicano un certo grado di attività biologica nel ghiaccio (alghe rosa, nematodi)… →→→→ che sembra però limitata alla semplice sopravvivenza

� Il silicio e il germanio hanno una discreta predisposizione a formare legami complessi … →→→→ ma meno del carbonio, e sono più rari nell’Universo

� L’ammoniaca potrebbe fungere da solvente - a temperature molto basse - per organismi basati sul silicio…

→→→→ che nessuno ha ancora trovato (troppo freddo per la vita?)

Universo Terra Crosta terrestre

Oceani Corpo umano

H (92714) O (48880) O (60425) H (66200) H (60563)

He (7185) Fe (18870) Si (20475) O (33100) O (25670)

O (50) Si (14000) Al (6251) Cl (340) C (10680)

I MAGNIFICI 10 gli elementi più abbondanti (totale = 100 000 atomi)

O (50) Si (14000) Al (6251) Cl (340) C (10680)

Ne (20) Mg (12500) H (2882) Na (290) N (2440)

N (15) S (11400) Na (2155) Mg (34) Ca (230)

C (8) Ni (1400) Ca (1878) S (17) P (130)

Si (2,3) Al (1300) Fe (1858) Ca (6) S (130)

Mg (2,1) Na (640) Mg (1784) K (6) Na (75)

Fe (1,4) Ca (460) K (1374) C (1,4) K (37)

S (0,9) P (140) Ti (191) Si - Cl (33)

PERCHÉ QUESTA DISTRIBUZIONE DI ELEMENTI?

PER L’UNIVERSO:

H, He COSMOLOGICI - per tutti gli altri, l’EVOLUZIONE STELLARE

PER LA TERRA:meccanismi di formazione del sistema solare

PER GLI OCEANI TERRESTRI:acqua + sali minerali disciolti

PER IL CORPO UMANO: evoluzione da organismi acquatici + chimica basata sul carbonio

DOVE HA AVUTO ORIGINE LA VITA?

La risposta si trova da qualche parte fra due estremi …

� SOLO sulla Terra

� Nello spazio interstellare, OVUNQUE� Nello spazio interstellare, OVUNQUE

Spettro infrarosso (parziale) di

assorbimento per un inviluppo

MATERIA

ORGANICA

INTERSTELLARE

(a)

(b)un inviluppo

circumstellare (a), confrontato con:

(b) un idrocarburo aromatico

(c) un miscuglio di composti organici

(b)

(c)

MOLECOLE ORGANICHE nello spazio interstellare

Sono assai comuni soprattutto nelle NUBI MOLECOLARI GIGANTI , dove si formano stelle e pianeti

La più alta concentrazione di composti organici della Galassia (Terra inclusa) si trova proprio

Regione centrale di M42 (nebulosa di Orione) con le stelle del Trapezio in primo piano

(Terra inclusa) si trova proprio all’interno di queste nubi.

Le molecole rilevate sono di estremo interesse per la vita: acqua, vari acidi e composti organici complessi.

La molecola più grande è l’HC11N

CHIMICA DELLA VITA TERRESTRE

TIPO DI COMPOSTO FUNZIONI SVOLTE Meteorite Murchison

acqua solvente sì

lipìdi (idrocarburi, acidi) membrane, riserve di energia sì

zuccheri (monosaccaridi) supporto, riserve di energia sì

polisaccaridi (zuccheri polimerizzati) ” ” ” no

amminoacidi supporto, enzimi catalizzatori sì

proteine (amminoacidi polimerizzati) ” ” ” no

fosfati informazione genetica sì

basi azotate ” ” sì

acidi nucleici (zuccheri polimerizzati, fosfati, basi azotate)

” ” no

Se la vita ha avuto origine sulla Terra . . .

. . . l’ambiente più adatto sembra essere l’acqua

L’ESPERIMENTO DI UREY-MILLER (1953)

essere l’acqua

In un’atmosfera riducentesi formano

abbastanza facilmente diversi aminoacidi

MILLER-UREY E LA METEORITE MURCHISON

un confronto tra le abbondanze di amminoacidi

MATERIALE DI ORIGINE EXTRATERRESTRE EXTRATERRESTRE

IN ARRIVO SULLA TERRA

TIPOLOGIAMasse tipiche

(kg)Tasso annuale di

accrescimento (kg)Percentuale in Carbonio

detriti cometari 10-17 – 10-1 16 000 000 10%

meteore 10-2 – 105 58 000 1,3%

meteoriti e asteroidi 105 – 1015 62 000 000 4,2%

CHE COSA CI INSEGNA LA TERRA?

NON sappiamo quanti dei requisiti necessari per la vita di tipo terrestre si applichino a TUTTE le possibili forme di vita

Un organismo vivente potrebbe essere tanto diverso dalla vita che conosciamo da non riuscire a riconoscerlo (come ci hanno mostrato

parecchie OTTIME opere di fantascienza)parecchie OTTIME opere di fantascienza)

Tuttavia dobbiamo operare delle scelte se non vogliamo fare tardi questa notte…

… e allora di qui in avanti prenderemo in considerazione solo possibili forme di di vita basate sul CARBONIO e sull’ACQUA

LA POLVERE INTERSTELLARE

COSTITUENTI PRINCIPALI: I GRANI

I GRANI INTERSTELLARI

La loro importanza è stata riconosciuta a partire dagli anni ’50

Costituiscono un ambiente ricchissimo di molecole organichericchissimo di molecole organiche

Le radiazioni ultraviolette delle stelle brillanti più vicine forniscono tutta l’energia necessaria per le reazioni

chimiche più varie

UN’ IPOTESI AFFASCINANTE: LE FORME DI VITA PIÙ SEMPLICI POTREBBERO ESSERE NATE TRA LE STELLE, MIGRANDO POI ATTRAVERSO GLI SPAZI SIDERALI FINO A TROVARE AMBIENTI

FAVOREVOLI A UN’EVOLUZIONE SUPERIORE

L’ipotesi che abbiamo descritto prende il nome di PANSPERMÌAe ha avuto alterna fortuna nel passato

Oggi la sua versione moderna è una delle ipotesi di lavoro per chi cerca di spiegare l’origine della vita

Alcune missioni spaziali stanno Alcune missioni spaziali stanno raccogliendo grani di polvere interplanetaria per portarli sulla Terra, dove potranno essere analizzati nei nostri laboratori

La quantità di composti organici sinora individuati è ENORME, con presenza di molecole molto complesse (come per esempio alcuni precursori degli amminoacidi terrestri)

QUALI SONO GLI AMBIENTI FAVOREVOLI ALLO SVILUPPO DI

FORME DI VITA SUPERIORI?

Anche in questo caso non sappiamo dare una risposta

completa, perché non completa, perché non conosciamo tutte le possibilità

Dobbiamo restringere nuovamente il campo delle

ipotesi, limitandoci questa sera ai soli

AMBIENTI PLANETARI

LA VITA HA BISOGNO DI STABILITÀ

Il tempo disponibile è dettato dalla rapidità dell’EVOLUZIONE STELLARE, che è tanto più rapida quanto più brillante è la

stella-madre che fornisce luce ed energia al pianeta. Per il Sole questo tempo è almeno di 6 miliardi di anni, e cresce col

diminuire della massa della stella (per stelle di tipo M – nane rosse di 0,2-0,5 masse solari – si superano anche i 100 miliardi di anni; per stelle di tipo A, come Sirio, che ha una massa 2,2

volte quella del Sole, non si arriva a 250 milioni di anni)

I tempi per lo sviluppo di forme di vita elementari, ricavati dalla Terra (altro non abbiamo!),

suggeriscono che solo stelle di non grande massa (meno di 1,4

masse solari) garantiscano tempo sufficiente per avere forme di vita superiori (almeno 1 miliardo di superiori (almeno 1 miliardo di

anni)

A seconda della luminosità della stella esiste una “zona abitabile” dove l’acqua può trovarsi sulla superficie del pianeta allo stato

liquido

STELLE NON TROPPO GRANDI, MA NEANCHE TROPPO PICCOLE…

Per stelle troppo piccole la zona abitabile è così vicina da bloccare il pianeta in rotazione sincrona, in modo che

mostri sempre la stessa faccia al suo sole

NELLA NOSTRA GALASSIA…Le stelle “abitabili” secondo questo criterio (tipi

spettrali F, G, K) costituiscono il 23% del totale. Il 72% sono nane rosse M! Ma anche queste stelle possiedono

pianeti…

MOLTE ALTRE POSSIBILITÀ

Sono stati finora individuati circa 700 pianeti intorno alle stelle vicine al Sole, e molti di più se ne scopriranno nei prossimi anni

La maggior parte sono giganti gassosi tipo Giove o Saturno, ma solo per la scarsa sensibilità degli strumenti, che di recente è cresciuta

Volendo anche escludere i pianeti giganti, restano sempre le loro grandi lune, che tutti dovrebbero possedere Ambienti come quelli di

Europa o Encelado (oceani d’acqua sotto la crosta ghiacciata) potrebbero essere la norma, più che l’eccezione…

…E infine, la vita sembra così adattabile da farci pensare che l’abitabilità possa essere ampliata, magari anche di molto

QUATTRO POSSIBILI TIPI?

1) Pianeti molto simili al nostro per massa, composizione, atmosfera, temperature e disponibilità di acqua

QUATTRO POSSIBILI TIPI?

2) Pianeti un tempo simili alla Terra, come Marte o Venere. La vita potrebbe essere nata in tempi favorevoli

e poi avrebbe potuto resistere al deterioramento climatico

QUATTRO POSSIBILI TIPI?3) Pianeti o satelliti con un oceano d’acqua sotto una

crosta ghiacciata. Europa, Encelado, Tritone, Ganimede, Callisto sono possibili candidati

QUATTRO POSSIBILI TIPI?4) Mondi d’acqua (ipotetici). Ricoperti da uno spesso strato d’acqua non in contatto con un fondo roccioso, ma con uno spesso strato di ghiaccio ad alta pressione

L’AMBIENTE DELLA TERRA PRIMITIVAFormazione della Terra e del sistema solare: 4,55 miliardi di anni fa.

Evidenze più antiche: ROCCE vecchie di 4,2 miliardi di anni.

Già 4 miliardi di anni fa ESISTEVANO

… distese di acqua (veri oceani, forse) e alcuni scudi continentali

… temperature tra 0 °C e 100 °C (almeno dov’erano le rocce esaminate)

… differenziazioni nella struttura del pianeta (nucleo - mantello - crosta)

… processi di erosione e sedimentazione molto simili a quelli odierni

… un’attività vulcanica e tettonica (placche)

… pochissimo ossigeno nell’atmosferaIsua, Groenlandia (3,8 miliardi di anni)

←→ 10 cm

ALCUNI PROBLEMI

1) Il Sole “appena” nato era del 25-30% meno luminoso rispetto a oggi, e la temperatura superficiale della Terra avrebbe dovuto essere sotto zero

2) La Terra è nata con la sua acqua o questa è arrivata 2) La Terra è nata con la sua acqua o questa è arrivata dall’esterno?

3) Qual era la composizione dell’atmosfera primitiva e come si è arricchita di ossigeno al passare del tempo?

4) Quando (e come) si sono formati i primi organismi viventi?

“RISPOSTE” AI PROBLEMI - 1(le migliori che abbiamo al momento …)

L’EFFETTO SERRA (CO2 atmosferica) può aver mantenuto la Terra a temperature abbastanza alte da preservare l’acqua allo stato liquido.

I vulcani pompano COnell’atmosfera, ma per I vulcani pompano CO2 nell’atmosfera, ma per non accumularne troppaservono meccanismi di riassorbimento …

… che oggi sono a) formazione di rocce carbonatiche nel fondo marino e b) riciclaggio della crosta attraverso la tettonica a placche

Tutti questi processi dovevano essere anche più attivi rispetto a oggi.

CO2

nelle rocce scarso effetto serra e abbassamento

delle temperature

crescita del ghiaccio, minore assorbimento di

CO2 nelle rocce del fondo marino

più CO2 in atmosfera

IL MECCANISMO DI FEEDBACK CO2

in atmosfera

effetto serra marcato, crescita delle temperature

maggiore assorbimento di

CO2 nelle rocce del fondo marino

più CO2

nelle rocce

DI FEEDBACK DELLA CO2

SULLA TERRA

“RISPOSTE” AI PROBLEMI - 2(le migliori che abbiamo al momento …)

La distribuzione dell’acqua nel Sistema Solare primitivo è legata in generale a quella dei VOLATILI: H2O, N2, CO2 e i gas nobili Ne, Ar, Kr, Xe.

Le abbondanze terrestri di volatili mostrano Le abbondanze terrestri di volatili mostrano che c’era pocaacqua nella zona di formazione del nostro pianeta.

Due le ipotesi plausibili:

a) minerali ad alta idratazione furono incorporati nella proto-Terra in formazione

b) numerosi impatti di comete hanno arricchito la Terra di acqua (e composti organici)

“RISPOSTE” AI PROBLEMI - 3(le migliori che abbiamo al momento …)

La proto-Terra non poteva trattenere i gas più leggeri (H2, He). La prima atmosfera “durevole” viene dall’interno del pianeta (degassamento):

H2O (vapore), N2, CO2, SO2, CH4

Ossigeno scarso (dissociazione ultravioletta dell’H2O): nelle rocce più antiche mancano ossidi di ferro (FeO, Fe2O3) e c’è invece FeS.antiche mancano ossidi di ferro (FeO, Fe2O3) e c’è invece FeS.

Numerosi impatti (anche catastrofici) disperdono l’atmosfera nello spazio, che però torna sempre a ricostituirsi; circa 3,8 miliardi di anni fa il bombardamento cessa quasi del tutto.

Mancanza di ossigeno →→→→ ASSENZA dello strato di ozono contro i raggi UV del Sole →→→→ le prime molecole viventi devono nascere in ambienti protetti (fondo marino, sedimenti rocciosi).

I CAMINI SOTTOMARINI

� Scoperti negli ultimi decenni in corrispondenza di dorsali medio-oceaniche

� Oasi di vita in ambiente ostile

� Calore geotermico (fino a 400°C)

� Più di 50 specie di batteri e altri organismi classificati

Sommergibile ALVIN – Isole Galapagos, 1977

organismi classificati

� Il Pyrolobus fumarii prospera sulle pareti dei camini a temperature di oltre 100°C

� Altri batteri producono zolfo e/o metano

�Un ambiente simile potrebbe prosperare sotto la crosta ghiacciata di alcuni satelliti di Giove e Saturno (Europa, Ganimede, Callisto, Encelado)

L’ALBERO DELLA VITA

� Basato sull’RNA dei ribosomi

� La lunghezza dei tratti che separano due specie è proporzionale alla loro diversità genetica

� TRE domini principali (Batteri, � TRE domini principali (Batteri, Archeobatteri, Eucarioti)

� Alla radice (bianco) solo batteri termofili e ipertermofili (possibile spiegazione: primi organismi nati in ambienti simili ai camini sottomarini)

� NOTARE il lungo ramo degli organismi più complessi (Eucarioti)

UNA RICOSTRUZIONE PLAUSIBILE… ma non sicura!

L’ambiente della Terra primitiva, benché privo di ossigeno, conteneva i mattoni essenziali della vita (vari composti a base di carbonio)

C’erano anche acqua liquida, sorgenti di energia e un ciclo del carbonio già attivo (rocce ↔ CO2↔ atmosfera)

L’energia del Sole non fu utilizzata subito (richiede organismi altamente evoluti ed era forte la componente nociva UV)

La prima fonte energetica fu geotermica: nei camini sottomarini ad alta temperatura (> 100 °C), poteva avvenire la sintesi di carboidrati basata sulla chimica dello zolfo: nCO2 + nH2S →→→→ (CH2O)n + nH2O + nS

I primi organismi furono quindi batteri autotrofi (iper)termofili in grado di ricavare composti organici ed energia per CHEMIOSINTESI

FINEFINE