La vita nell`Universo

Incontri di Astronomia
Tolentino (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’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 versatile nella 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?)
I MAGNIFICI 10
gli elementi più abbondanti (totale = 100 000 atomi)
Universo
H
He
O
Ne
N
C
Si
Mg
Fe
S
(92714)
(7185)
(50)
(20)
(15)
(8)
(2,3)
(2,1)
(1,4)
(0,9)
Terra
O
Fe
Si
Mg
S
Ni
Al
Na
Ca
P
(48880)
(18870)
(14000)
(12500)
(11400)
(1400)
(1300)
(640)
(460)
(140)
Crosta
terrestre
O
Si
Al
H
Na
Ca
Fe
Mg
K
Ti
(60425)
(20475)
(6251)
(2882)
(2155)
(1878)
(1858)
(1784)
(1374)
(191)
Oceani
H
O
Cl
Na
Mg
S
Ca
K
C
Si
Corpo
umano
H
(33100) O
(340) C
(290) N
(34) Ca
(17) P
(6) S
(6) Na
(1,4) K
- Cl
(66200)
(60563)
(25670)
(10680)
(2440)
(230)
(130)
(130)
(75)
(37)
(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
MATERIA
ORGANICA
(a)
INTERSTELLARE
Spettro infrarosso
(parziale) di
assorbimento per (b)
un inviluppo
circumstellare (a),
confrontato con:
(b) un idrocarburo
aromatico
(c) un miscuglio di
composti organici
(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
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
Regione centrale
di M42 (nebulosa
di Orione) con le
stelle del Trapezio
in primo piano
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)
amminoacidi
proteine (amminoacidi polimerizzati)
fosfati
”
”
”
supporto, enzimi catalizzatori
”
”
no
sì
”
no
informazione genetica
sì
basi azotate
”
”
sì
acidi nucleici (zuccheri polimerizzati,
”
”
no
fosfati, basi azotate)
L’ESPERIMENTO DI UREY-MILLER
(1953)
Se la vita ha avuto origine sulla
Terra . . .
. . . l’ambiente più adatto sembra
essere l’acqua
In un’atmosfera
riducente si formano
abbastanza facilmente
diversi aminoacidi
MILLER-UREY E LA METEORITE MURCHISON
un confronto tra le abbondanze di amminoacidi
MATERIALE DI ORIGINE
EXTRATERRESTRE
IN ARRIVO SULLA TERRA
TIPOLOGIA
Masse tipiche
(kg)
Tasso annuale di Percentuale
accrescimento (kg) 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)
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 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 PANSPERMÌA e
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
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
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
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 PRIMITIVA
Formazione 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)
←→ 10 cm
… processi di erosione e sedimentazione
molto simili a quelli odierni
… un’attività vulcanica e tettonica
(placche)
… pochissimo ossigeno nell’atmosfera
Isua, Groenlandia (3,8 miliardi di anni)
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
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 CO2 nell’atmosfera, ma per
non accumularne troppa servono 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.
nelle rocce
CO2
in atmosfera
scarso effetto serra
e abbassamento
delle temperature
IL
MECCANISMO
DI FEEDBACK
DELLA CO2
SULLA TERRA
effetto serra
marcato, crescita
delle temperature
crescita del
ghiaccio, minore
assorbimento di
CO2 nelle rocce del
fondo marino
più CO2 in
atmosfera
più CO2
nelle rocce
maggiore
assorbimento di
CO2 nelle rocce del
fondo marino
“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
che c’era poca acqua 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.
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
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)
Sommergibile ALVIN – Isole
Galapagos, 1977
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,
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
FINE