SPAZIO CAFFE' - Due chiacchere oltre l'atmosfera - Astrobiologia

L’astrobiologia è un settore scientifico estremamente multidisciplinare, che richiede competenze in moltissimi campi: oltre a biologia e astronomia, anche chimica, biochimica, geologia, paleontologia, genetica e si potrebbe continuare, quindi è un settore scientifico molto complesso e che secondo la definizione comunemente adottata studia l’origine, l’evoluzione e la distribuzione della vita nell’universo.

È una scienza tuttavia relativamente giovane, infatti il termine astrobiologia è stato coniato nel 1955 dall’astronomo Otto Struve.

Ma le basi che hanno dato l’input a questa nuova scienza vanno ricercate nel XIX secolo dove la comprensione dei meccanismi che regolano l’evoluzione della vita sulla terra si sono avuti con la pubblicazione nel 1859 del libro “L’origine delle specie” di Charles Darwin. Con l’avanzare di queste nuove conoscenze,   è stato possibile ipotizzare l’esistenza di forme di vita anche al di fuori del nostro pianeta.  Bisogna dare quindi merito a Darwin che per quanto l’evoluzione biologica non spieghi l’origine della vita, ha tuttavia fornito la ragione scientifica che ha acceso la scintilla sperimentale.

Quindi secondo lo scienziato, in ciascuna specie, i vari soggetti subiscono mutazioni genetiche naturali e casuali che in qualche modo ne diversificano le caratteristiche. Se poi sopraggiunge un cambiamento climatico oppure una particolare necessità che richiede certe caratteristiche fisiche, subentra una selezione naturale che determina la sopravvivenza dei più adatti e l’estinzione di quelli che invece non hanno caratteristiche idonee a quella variazione. In pratica una mutazione casuale può diventare una caratteristica stabile e dominante di una specie.

Ma facciamo l’esempio delle giraffe: secondo la teoria Darwiniana inizialmente sarebbero nate giraffe con colli di diversa lunghezza. Ma quelle con il collo più lungo avevano un facile  accesso alle foglie degli alberi alti e quindi erano avvantaggiate, inoltre il collo delle giraffe viene normalmente usato anche nei combattimenti per il corteggiamento e un collo più lungo è ovviamente più potente, così gradualmente il carattere del collo corto non è stato trasmesso, mentre le giraffe nate con un collo lungo riuscendo ad alimentarsi e a riprodursi più facilmente hanno potuto trasmettere questa peculiarità trasformandola in una caratteristica dominante. Ovviamente queste considerazioni si possono estendere a tutti gli esseri viventi compreso l’Homo Sapiens.

Se provassimo a ricostruire il nostro albero genealogico potremmo arrivare ai bisnonni forse ai trisavoli, un’ulteriore ricerca risulterebbe particolarmente complicata. Ebbene secondo gli scienziati se però avessimo i dati per continuare, e potessimo andare indietro per circa 250.000 generazioni arriveremmo ai nostri antenati comuni con i primi ominidi e andando oltre avremmo lo stesso nonno del resto degli animali e delle piante, fino ad essere inclusi nello stesso albero genealogico di tutti gli esseri viventi: il famoso Tree of Life cioè l’albero della vita. L’acronimo LUCA sta per Last Universal Common Ancestor cioè l’ultimo antenato comune universale di tutti gli esseri viventi della Terra. Sicuramente il LUCA avrà avuto degli antenati che probabilmente hanno dato vita anche ad altre linee di discendenti che però si sono poi estinte secondo i meccanismi enunciati da Darwin.  Anche se Darwin nel suo famoso libro in realtà non affronta l’origine della vita, ma parla in particolare di evoluzione e selezione naturale, nell’ultimo paragrafo in realtà scrive: “…c’è del grandioso nella concezione secondo la quale la vita con le sue differenti forze, sia stata infusa dal creatore in un esiguo numero di forme o in una sola, e che mentre questo pianeta continua a girare seguendo la costante legge gravitazionale, si siano sviluppate, e si continuino a sviluppare, a partire da un principio così semplice, un’infinità di forme belle e portentose.” Quindi in realtà Darwin con molta precauzione afferma un anticipo del LUCA.

Quindi anche lo scienziato aveva in qualche modo intuito l’albero della vita dove le varietà degli esseri viventi che popolano o che hanno popolato la terra è impressionante, ma in ognuno di loro sono presenti dei denominatori comuni che in principio erano sicuramente presenti nel LUCA. Infatti funzioniamo tutti a partire dal lavoro di alcune proteine chiamate enzimi che catalizzano delle reazioni biochimiche che costituiscono quello che noi chiamiamo metabolismo e questi enzimi vengono costruiti inizialmente solo con 20 amminoacidi che si uniscono poi fra loro in un determinato ordine a formare dei polimeri, cioè delle lunghe catene, che sono alla base della formazione del famosissimo acido deossiribonucleico cioè il DNA.

Il funzionamento e la riproduzione di tutti gli esseri viventi dipendono dall’informazione genetica memorizzata nel DNA. Inoltre tutti gli esseri viventi hanno anche un’altra caratteristica in comune cioè una struttura cellulare che ingloba e protegge tutti i componenti necessari alla vita. Quindi quando ci si riferisce a denominatori comuni si intende l’unità biochimica degli esseri viventi cioè la cellula che ha essenzialmente tre caratteristiche: una base genetica per la replicazione dell’informazione, un metabolismo per l’auto-mantenimento e una cellularità per il compartimento dei diversi componenti. L’unione di queste tre caratteristiche permette il gioco evolutivo basato su una riproduzione con variazioni che è essenziale per la sopravvivenza, altrimenti ogni variazione ambientale metterebbe a rischio di estinzione un’intera specie. Quest’unità è così straordinaria e presente in tutti gli esseri viventi che può essere spiegata solo dal fatto che tutti abbiamo un antenato comune che aveva queste caratteristiche: il LUCA.

Prima del 1977 gli esseri viventi venivano suddivisi in due gruppi principali: i Procarioti, che sarebbero cellule senza nucleo e che rappresentano i batteri; e gli Eucarioti che invece hanno un nucleo cellulare ben distinto e che possono essere anch’essi unicellulari come ad esempio i protozoi oppure pluricellulari come le piante e gli animali, ma nel 1977 due microbiologi statunitensi Carl Woese e George Fox sorpresero il mondo con un albero di tutti gli esseri viventi molto innovativo che conteneva un nuovo dominio di organismi che chiamarono Archeobatteri. La scoperta di questo nuovo dominio fu possibile grazie a nuove tecniche di microbiologia che permisero di confrontare le sequenze genetiche di diversi organismi classificandoli sulla base del loro grado di parentela genetica, anziché sulle loro somiglianze morfologiche, è stato quindi individuato questo nuovo gruppo: gli Archei che sono microrganismi unicellulari ma sono estremofili cioè che vivono in ambienti fisici estremi, per esempio molto acidi, molto salini o anche molto caldi.

Questi organismi come vedremo più avanti sono molto importanti per l’Astrobiologia. Anche se ovviamente restano molte incertezze la storia della vita è abbastanza conosciuta, quello che non sappiamo è il passaggio dalla terra primordiale senza vita fino all’ultimo antenato comune: il LUCA. L’unico strumento a disposizione dei ricercatori per dare delle risposte è il ritrovamento di fossili organici. La chimica biologica utilizza l’isotopo 12 del Carbonio, ma non utilizza il 13C, ne consegue che il materiale organico proveniente da organismi viventi tende ad aumentare il rapporto 12C/13C rispetto al valore dell’ambiente. Questo fatto è estremamente importante in astrobiologia perché ci offre un metodo indiretto per rivelare la presenza di una attività biologica, partendo dalla misura del rapporto isotopico del carbonio di un campione di materiale.

Anche il rapporto isotopico dello zolfo (32S/34S) può essere usato per cercare tracce di processi biologici ovviamente mediante il confronto con un valore standard di riferimento non biologico. Con questo metodo sono stati individuati fossili molto antichi. Attualmente i fossili più antichi si trovano a Isua in Groenlandia e sono datati 3,7 miliardi di anni, sono Stromatoliti cioè strutture sedimentarie prodotte da microrganismi soprattutto Cianobatteri e la loro scoperta è stata possibile per la fusione di un ghiacciaio che ha esposto una formazione rocciosa considerata la più antica del mondo.

Gli studiosi ipotizzano che la vita sulla terra sia iniziata circa 3,8 miliardi di anni fa, e questa data coincide curiosamente  con un evento molto particolare: una pioggia meteoritica molto intensa denominata il grande bombardamento tardivo indicata con l’acronimo LHB e si ritiene che l’enorme craterizzazione che possiamo ancora oggi vedere sulla luna e genericamente sui corpi rocciosi del nostro sistema solare, dipendano da questo episodio che si ipotizza sia dovuto alla migrazione planetaria di Giove e Saturno che avrebbe modificato le orbite di Urano e Nettuno invertendole, a quel tempo Nettuno era prima di Urano, questa inversione destabilizzò la fascia di Kuiper e un’enorme quantità di asteroidi e meteoroidi si diressero verso il sistema solare interno, trasportando sicuramente anche del materiale prebiotico, da non confondere con la Panspermia teoria ipotizzata principalmente da Fred Hoyle che afferma che microrganismi biologici siano arrivati direttamente dallo spazio in quanto secondo lui: la terra dalla sua formazione alla datazione dei più antichi fossili biologici ritrovati, non avrebbe avuto il tempo necessario per originare la vita.

A sostegno di questa teoria nel 1984 fu trovata una meteorite marziana molto particolare: ALH84001. La fama di questa meteorite è dovuta al fatto che un’analisi al microscopio elettronico mise in evidenza delle strutture che sembravano resti fossilizzati simili a batteri. L’ipotesi di un’origine biologica non è però supportata dalle piccole dimensioni di queste strutture che sono comprese tra i 20 e i 100 nm invece in base alle nostre attuali conoscenze, il limite minimo delle dimensioni che una forma vivente deve possedere per poter sviluppare un metabolismo è di 200 nm, comunque c’è ancora un ampio dibattito scientifico sull’origine di queste strutture. Lo scetticismo degli scienziati sulla panspermia comunque è motivato anche dal fatto che non è mai più stato ritrovato, all’interno di meteoriti scoperte sulla terra, del materiale che assomigliasse a microrganismi fossili ne tantomeno a microorganismi ancora attivi, mentre tornando al materiale prebiotico caduto sulla terra, capita ancora oggi di trovarlo in alcuni tipi di meteoriti.

Queste meteoriti sono quelle appartenenti alla famiglia della Condriti Carbonacee. Una meteorite molto famosa cadde in Australia il 29 settembre del 1969 ed è la condrite carbonacea Murchison, ne sono stati raccolti 100 kg di frammenti non contaminati, che vengono analizzati ancora oggi e vi sono stati trovati ben 14000 composti organici e tra questi 70 aminoacidi, se pensiamo che la vita terrestre è basata su una ventina di aminoacidi, possiamo comprendere l’importanza di questa meteorite a livello scientifico, e che inoltre ha anche avvalorato l’ipotesi che le molecole che hanno dato origine alla vita sulla terra siano arrivate dallo spazio.

Dopo Darwin fu necessario aspettare gli anni venti del secolo scorso perché nuovi scienziati affrontassero il problema dell’origine della vita, tra questi, maggiore rilevanza fu data all’idea del biochimico russo Aleksandr Ivánovich Opàrin, che ipotizzò il concetto di evoluzione chimica: secondo lo scienziato nei mari primordiali si sarebbe generato un brodo capace di dar vita ad alcune cellule semplici da cui deriverebbero tutti gli esseri viventi. Per molti anni tuttavia non ci furono ulteriori progressi su questa teoria fino a quando il libro di Opàrin fu letto dal chimico statunitense Harold Urey premio Nobel per la chimica.

Nell’ottobre del 1951 Urey tenne all’università di Chicago un seminario sull’origine del Sistema Solare, durante il quale suggerì alcuni esperimenti per creare composti organici a partire dalle componenti delle atmosfere primordiali. Un giovane studente in Chimica, Stanley Miller ne rimase molto impressionato e nel settembre del 1952 si presentò nell’ufficio di Urey proponendogli come tema per la sua tesi di dottorato, di realizzare quegli esperimenti suggeriti durante il seminario. Urey accettò, ma con la clausola che se in sei mesi non ci fossero stati risultati avrebbero rinunciato e cambiato il tema della tesi. Costruirono un circuito di vetro sotto vuoto dove inserirono dell’acqua ovviamente sterile e un insieme gassoso di idrogeno, ammoniaca e metano, cioè quello che si pensava fosse l’atmosfera della terra primordiale. Come fonte di energia usarono scariche elettriche da 60000 volts. Dopo pochi giorni Miller osservò che l’acqua era diventata marrone, la analizzò e scoprì che in così poco tempo erano stati prodotti differenti composti organici, tra cui anche vari amminoacidi. Immaginatevi lo stupore e l’interesse generale quando questa notizia venne divulgata. I risultati dell’esperimento vennero pubblicati nel 1953 sulle principali riviste scientifiche e l’articolo fu firmato solo da Miller in quanto Urey volle lasciargli tutto l’onore della scoperta. L’esperimento di Miller pose le basi della chimica prebiotica.

In realtà la composizione che utilizzò per ricreare l’atmosfera primordiale non era corretta, in quanto è molto più probabile che quando comparse la vita sulla terra l’atmosfera fosse più ricca di anidride carbonica; ma se Miller avesse fatto i suoi esperimenti con un’atmosfera più realistica, non avrebbe trovato niente di interessante, in quanto i mezzi analitici a sua disposizione in quel periodo non erano abbastanza sensibili; avrebbe quindi cambiato il tema della sua tesi e lo studio della chimica prebiotica sarebbe stata ritardata di chissà quanto tempo. Invece da quel momento in poi vennero fatti moltissimi esperimenti di simulazione delle condizioni della terra primordiale.

Oggi sappiamo che composti velenosi come l’acido cianidrico HCN e la formaldeide HCOH potrebbero essere stati dei composti essenziali per la comparsa della vita sulla terra oltre ovviamente a quella straordinaria molecola che è l’acqua.  Concludo questa prima parte con una citazione dal libro “l’origine della vita sulla terra” di Juan Antonio Aguilera che scrive: …con quello che abbiamo appreso sappiamo meglio da dove veniamo…e chi siamo: una formidabile chimera molecolare frutto di ibridazioni tra i più umili antenati, un mosaico e un palinsesto che conserva memoria di innumerevoli ricombinazioni e scambi, cooperazioni e conflitti, di una storia che ci imparenta con tutti gli esseri viventi e ci riporta senza soluzione di continuità a un antenato comune, e, ancora più in là all’acqua, al cianuro, alla formalina, allo zolfo… a una Terra dove non si poteva respirare, costantemente bombardata dallo spazio.

Carlo Buscemi