RICERCHE, SCOPERTE, ESPERIMENTI PER COMPRENDERE L’ORIGINE DELLA VITA SULLA TERRA E NELLO SPAZIO

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Le ricerche incentrate sui programmi SETI, dei quali abbiamo visto una sintetica rassegna, rappresentano però soltanto la parte più appariscente del complesso di studi sull’origine e la diffusione della vita nell’Universo che coinvolgono, in vario modo, praticamente tutte le discipline scientifiche dall’astronomia ottica alla radioastronomia, dalla chimica alla biologia ed all’esobiologia, dalla fisica all’antropologia, dalla medicina alla bioingegneria.

Stranamente la ricerca di forme di vita fuori del nostro pianeta ha avuto il massimo sviluppo a partire dalle sue manifestazioni più complesse, cioè dalla ricerca di altre civiltà sparse nella periferia del disco galattico a noi più prossima.

Solo in un secondo momento sono state intensificate le ricerche, per altro già in atto in forma ridotta, sull’origine della vita sulla terra e nello spazio.

E’ soprattutto sulle conoscenze acquisite nel corso della seconda metà del secolo scorso in tutti i settori della ricerca biologica ed esobiologica, sulla successione di eventi che hanno caratterizzato l’evoluzione della vita, sui processi di formazione dell’intelligenza, della nascita ed evoluzione della civiltà che desidero richiamare la vostra attenzione.

La correlazione dei risultati ottenuti dalle varie discipline che indagano i diversi aspetti del fenomeno VITA, non ostante siano nel complesso ancora molto frammentari e parziali, consentono di trarre qualche indicazione sulle probabilità di successo che si possono prevedere per la ricerca di civiltà aliene.

Tra gli altri Istituti interessati nelle ricerche anche la NASA, che si è momentaneamente ritirata dai programmi SETI nel campo della radioastronomia perché sono stati tagliati i fondi destinati allo scopo, è fortemente impegnata negli studi sull’origine della vita. Molti suoi ricercatori sono convinti che la ricerca di intelligenze e civiltà extraterrestri non possa ignorare l’evoluzione biologica da cui derivano e che sia utile conoscerne l’origine per elaborare le strategie più appropriate per la loro ricerca.

Non si può infatti dimenticare che la vita sulla terra ha dovuto produrre centinaia di milioni di specie adattandole alla evoluzione ambientale, riprendere l’opera quasi dall’inizio dopo le grandi estinzioni avvenute alla fine del Paleozoico (Tra il Permiano ed il Triassico circa 250 milioni di anni fa) e della fine del Cretaceo (di 65 milioni di anni fa), prima di riuscire a realizzare una specie capace di sviluppare una civiltà.

Sommariamente sono elencati di seguito i passi principali seguiti per lo studio dell’origine della vita sulla terra e nello spazio. Alcune delle fasi previste sono già in corso da diversi anni mentre altre sono soltanto in fase di progetto, realizzabili in futuro quando l’evoluzione delle nostre tecnologie le renderanno possibili.

Punto 1°

Capire come la vita è iniziata sulla Terra

Eseguire una indagine basata su dati storici, osservativi, e sperimentali per capire l’origine della vita sul nostro pianeta, inclusa la possibilità che sia arrivata sulla terra dallo spazio esterno.

Punto 2°

Determinare i principi generali che governano l’organizzazione della materia all’interno dei sistemi viventi

Attraverso prove di laboratorio e simulazioni al computer, stabilire i principi fisico-chimici basilari che conducono all’emergere di sistemi viventi sotto diverse condizioni nell’universo.

Punto 3°

Esplorare come evolve la vita a livello molecolare, negli organismi e negli ecosistemi

Utilizzare i risultati degli studi più avanzati di genetica, i processi registrati nei fossili, l’analisi degli ecosistemi per comprenderne l’evoluzione con particolare riguardo allo sviluppo delle colture microbiche.

Punto 4°

Determinare come la biosfera terrestre si è evoluta congiuntamente alla evoluzione della terra

Cercare le tracce della coevoluzione della vita e della terra integrando le testimonianze acquisite dalla biologia molecolare con gli studi del presente e della storia dell’ambiente, delle ricerche nel campo dell’ecologia e degli organismi superiori.

Punto 5°

Stabilire i limiti in cui la vita può svilupparsi in ambienti con condizione analoghe a quelle presenti su altri mondi.

Investigare l’adattamento della vita in tutto il campo delle condizioni ambientali presenti e passate del nostro pianeta, e trovare le analogie con quelle riscontrabili su altri corpi del sistema solare come Marte od Europa.

Punto 6°

Determinare cosa può rendere abitabile un pianeta  e quanto i mondi di questo genere possono essere comuni nell’Universo

Investigare come i pianeti possono acquisire e mantenere l’acqua in forma liquida. Utilizzare gli studi teorici ed osservativi dei processi di formazione planetaria, per determinare le zone in cui più facilmente i pianeti possono alloggiare la vita.

Punto 7°

Determinare come riconoscere le tracce della vita su altri pianeti

Imparare a riconoscere le biosfere extraterrestri e ad identificare strutture fossili o tracce chimiche di vita estinta, investigare i biomarcatori riscontrabili  negli spettri dei pianeti orbitanti intorno ad altre stelle.

Punto 8°

Determinare se c’è o è esistita la vita altrove nel nostro sistema solare, particolarmente su Marte ed Europa.

Esplorare il sistema solare sotto il profilo biologico enfatizzando le ricerche nel passato e nel presente di Marte ed Europa, gli unici corpi che conosciamo dove è possibile la presenza di acqua in forma liquida.

Punto 9°

Determinare come l’ecosistema risponde ai cambiamenti ambientali sui tempi-scala pertinenti alla vita dell’uomo sulla terra.

Esaminare l’abitabilità del nostro pianeta nel tempo a fronte dei cambiamenti ambientali sia naturali sia prodotti dall’uomo e valutare il ruolo di rapidi cambiamenti per valutare modelli di interazione tra ambiente ed ecosistema .

Punto 10°

Capire la reazione della vita terrestre nelle condizioni che si riscontrano nello spazio o su altri pianeti.

Studiare le possibilità di adattamento ed evoluzione della vita terrestre in altri ambienti e le possibilità offerte dalla bioingegneria per adattare l’ecosistema per un migliore adattamento ad ambienti alieni.

La tabella seguente, utile per l’analisi delle possibilità di vita nello spazio, mostra le condizioni limite in cui gli organismi riescono a riprodursi ed a sopravvivere sulla terra.

CONDIZIONI LIMITE DELLA VITA SULLA TERRA

Temperatura media di superfice

15°

Temperatura minima in cui si sviluppano organismi viventi -15°
Temperatura massima in cui si sviluppano organismi viventi +113°
Massima profondità in cui si trovano batteri 3.200 metri 
Massima acidità in cui è possibile la vita pH 0,00
Massima intensità basica ammissibile per la vita pH 11
Livello di alcalinità media per la maggior parte degli organismi pH 5÷8
Massimo livello di radiazioni ionizzanti sopportate da organismi (una dose di 1.000 rad è mortale per l'uomo) 5.000.000 rad/anno 
Massimo di sopravvivenza osservata di batteri a bordo di satelliti nelle condizioni estreme dello spazio esterno 6 anni
Massima pressione sopportata da organismi viventi nelle profondità oceaniche (la pressione a livello del mare è di ~1,00 bar) 1.200 bar
Massima salinità sopportata (la salinità media del mare ed anche del sangue umano è del 3,5%) 30%

Questi limiti ci forniscono una prima informazione per riconoscere ambienti nei quali è più probabile trovare organismi viventi. Non è detto che nello spazio la vita non sia possibile anche in condizioni più severe ma i limiti di oscillazione ipotizzabili sulla base delle attuali conoscenze sono veramente ristretti. Scoperte recentissime sembrano però estendere notevolmente questi limiti almeno per quanto riguarda la vita microbica. 

Oltre ai nano batteri presenti nelle meteoriti, in Antartide sono stati ritrovati dei micro organismi che sopravvivono a temperature inferiori a 50 gradi sotto zero perché l’acqua fortemente salina si mantiene liquida sino a queste temperature.

Per comprendere i meccanismi fisico-chimici all’origine della vita sulla terra si è avuta una prima indicazione dall’esperimento effettuato da Miller & Urey nel 1950: in ambiente simile all’atmosfera primordiale con prevalenza di anidride carbonica (o biossido di carbonio) e con la presenza di acqua, idrogeno, ammoniaca, metano, e ossigeno, quest’ultimo presente in forma libera nella primitiva atmosfera in modesta percentuale, sotto l’influenza di luce, calore e scariche elettriche ad imitazione dei fulmini si è osservata la formazione di amino-acidi a partire da semplici reazioni chimiche inorganiche.

Dopo l’esperimento Miller-Urey le ricerche sull’origine della vita e sulle sue tracce biochimiche o fossili si sono intensificate a tutti i livelli, estese anche alla ricerca di tracce di vita nello spazio; un ulteriore impulso è poi stato impresso dalla risonanza che i programmi SETI, ed anche le notizie fantasiose di avvistamenti UFO, hanno esercitato sull’opinione pubblica e di riflesso anche a livello politico.

Un ruolo preminente in questa ricerca a largo campo è stato assunto dall’astronomia a supporto dell’esobiologia.

L’astronomia ottica, grazie all’apporto di strumenti sempre più potenti con telescopi da 8/10 metri con ottiche attive ed adattive, della fotografia digitale coi sensori CCD e del telescopio spaziale HUBBLE, che consentono uno straordinario miglioramento nei puntamenti e nella risoluzione, ha potuto affinare l’analisi spettrale facilitando il riconoscimento delle tracce, in emissione ed assorbimento, delle molecole organiche.

A questa si è aggiunta la radioastronomia con i grandi radiotelescopi a terra, operanti singolarmente o in gruppi interferometrici anche a larghissima base.

Con i telescopi collaborano inoltre una moltitudine di satelliti, per raggi infrarossi, ultravioletti, X e gamma.

L’estensione della gamma elettromagnetica, esplorabile ben oltre la finestra del visibile con il complesso dei mezzi di cui si è detto, consente oggi di guardare dentro ed oltre le nubi di gas e polveri interstellari che nel solo visibile risultavano opache ed impenetrabili.

Nelle tabelle sono elencate le frequenze utilizzate dai radiotelescopi per ricerche esobiologiche, alcune delle sostanze con le relative frequenze emesse

FREQUENZE UTILIZZATE DAI RADIOTELESCOPI 

 

Ricerca di composti prebiotici nello spazio  
Priorità maggiore da 70 a 400 GHz
Seconda priorità 650 GHz
Terza priorità da 36 a 53,5 GHz
Frequenza di alcune molecole organiche  
SiO2 130 GHz
H2S 168,8 GHz
H2O 183,3 GHz
C3H2 51,8 GHz

e poi un parziale elenco delle molecole organiche scoperte su pianeti e satelliti del nostro sistema solare, nelle comete o nelle nubi interstellari.

COMPONENTI ORGANICI SCOPERTI NELLE NUBI MOLECOLARI E NEI DISCHI PROTOPLANETARI 

Acqua H2O Ossido di carbonio CO
Biossido di carbonio CO2 Metano CH4
Ammoniaca NH3 Alcool C2H5OH
Formaldeide HCHO Metanolo CH3OH
Metil Etil Chetone CH3COC2H5 Etanolo CH3CH2OH
Esametilentetramina C6H12N4 Esametilene C6H12
Acetamide CH3CONH2 Idrocarburi policiclici aromatici (PAHs) C24H12

La grande diffusione nello spazio dell’acqua, di sostanze organiche variamente complesse, di idrocarburi, avvalora sempre più l’idea della panspermia (cioè della vita venuta dallo spazio), già avanzata in un passato non proprio recente.

Appare evidente che gli elementi chimici alla base della vita, carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, silicio, zolfo, fosforo e con il contributo di altri elementi in minor misura, prodotti nelle reazioni termonucleari delle stelle, diffuse nello spazio alla loro morte, o sintetizzati nelle esplosioni di supernove, hanno la tendenza naturale a combinarsi per formare molecole organiche.

Una conferma diretta dell’abbondanza di sostanze organiche nello spazio viene dai meteoriti; quello caduto vicino a Murchison in Australia nel 1969, una condrite carbonacea che si sospetta di origine cometaria per l’alto contenuto di acqua, contiene 92 amino-acidi di cui solo 19 simili a quelli presenti sulla terra. 

I meteoriti Murchison e quello ritrovato nei sedimenti del lago Murray, caduto centinaia di milioni di anni fa, contengono anche degli zuccheri di composizione diversa da quelli presenti negli organismi viventi attuali. 

Il meteorite Allende, oltre ad amino-acidi, contiene anche dei nano-batteri.

Le sostanze prebiotiche presenti nelle nubi di gas e polveri in cui nascono le stelle e diffuse nei dischi protoplanetari verrebbero poi raccolte dai planetesimi (o dagli asteroidi) e comete e da questi portate sui pianeti in formazione.

Nelle immagini è rappresentata una delle ipotesi avanzate per spiegare la formazione delle stelle per collasso delle grandi nubi molecolari provocato dall’onda d’urto di una supernova, e della successiva formazione di un sistema planetario.

Collasso di una nube molecolare e formazione di una stella

  

Formazione di un  disco protoplanetario

L'origine della VITA sulla Terra

Per la comprensione dell’origine della vita, sulla terra o nello spazio, le scoperte si susseguono a ritmo incalzante.

Sul nostro pianeta neonato la vita è iniziata molto presto: nelle sorgenti geotermiche sulfuree delle dorsali oceaniche sono stati rinvenuti fossili di microrganismi vissuti oltre tre miliardi e mezzo di anni fa che vivevano nutrendosi di zolfo non conoscendo ossigeno e luce solare. Non è possibile sapere se le sostanze organiche da cui si sono originati si siano formate direttamente nelle sorgenti o se siano arrivate dallo spazio trasportate da comete o asteroidi. Ma sono stati necessari quasi tre miliardi di anni per passare dalla vita microbica agli organismi multicellulari.

Una recentissima e strabiliante scoperta è stata fatta ad opera di due ricercatori italiani, Bruno D’Argenio e Giuseppe Geraci del CNR che hanno trovato all’interno di rocce terrestri antichissime e di meteoriti una grande varietà di batteri vitali in grado di riprendere la loro attività a contatto di una soluzione biologica e di riprodursi fino a formare intere colonie non appena estratti dalla struttura cristallina che li ha imprigionati per miliardi di anni sopravvivendo a temperature e pressioni terribili.

Nelle immagini qualcuna delle culture batteriche (chiamate CRYMS – cristallomicrobi) estratte da rocce e meteoriti.

Se questa scoperta verrà confermata, come è probabile considerata la grande professionalità dei ricercatori e l’accuratezza con cui sono stati condotti gli esperimenti, si avrà la conferma che la vita è diffusa ovunque nell’universo, capace di svilupparsi in modo esplosivo non appena riesce a trovare le condizioni adatte.

Anche nel meteorite marziano Allen Hill 84001 caduto in Antartide sono stati trovati dei nanobatteri fossili ma sull’interpretazione dei risultati delle analisi sussistono molti dubbi. Due recentissime notizie che riguardano Marte confermano però condizioni che possono aver favorito la vita sul pianeta o addirittura che possa ancora essere presente in forma di microbi od insetti. La prima riguarda la scoperta effettuata dalla sonda Mars Global Surveyor della presenza di ghiaccio in zone molto vicine all’equatore, a testimonianza di un cambiamento climatico avvenuto in tempi recentissimi (circa 100.000 anni), che potrebbe aver lasciato nel sottosuolo una enorme quantità di acqua stimata globalmente in circa 40.000 Km. cubi. La seconda riguarda invece una revisione attualmente in corso, condotta dal dott. Joseph Miller, sui risultati delle analisi biochimiche eseguite dalle sonde Viking su campioni del suolo marziano troppo frettolosamente interpretate come conferma dell’assenza di vita e successivamente dimenticate in un computer obsoleto fuori servizio. La revisione delle analisi pare confermare una attività biologica corrispondente ai ritmi circadiani di organismi viventi sincronizzati sulla durata del giorno marziano.

Un’altra sorprendente scoperta è scaturita da un esperimento di laboratorio realizzato dallo staff del dott. Louis Allamandola della NASA che ricreando le condizioni presenti nelle nubi interstellari e nei dischi protoplanetari, a temperature di pochi gradi Kelvin ed in ambiente ricco di radiazioni di ogni tipo, partendo dalle molecole organiche presenti hanno costruito cellule primitive che riproducono le strutture a membrana trovate in tutti gli esseri viventi e che potrebbero perciò aver avuto un ruolo importante nell’origine della vita.

Molti scienziati pensano che simili molecole siano necessarie per costruire una membrana cellulare e per dare origine alla vita in tutto lo spazio. La produzione artificiale di una protocellula a partire da composti chimici elementari potrebbe ulteriormente confermare l’esistenza della vita ovunque nell’universo.

Rimane tuttavia ancora molta strada da percorrere per comprendere i meccanismi all’origine della vita.

Conoscere l’origine delle sostanze prebiotiche, la straordinaria affinità chimica degli elementi fondamentali e la relativa facilità con cui si combinano in molecole complesse nello spazio e sulla terra, non ci consentono ancora di comprendere il passaggio dagli amino-acidi e dalle prime elementari catene proteiche alle molecole autoreplicanti, cioè in grado di riprodursi. Attualmente non è noto se la vita sia cominciata da un semplice tratto di RNA o da materiale genetico incapsulato in una membrana, ma ad un certo punto dell’evoluzione la membrana ha sicuramente acquistato un’importanza fondamentale.

L’origine della cellula e la sua stessa natura, la formazione dei ribonucleotidi (RNA) e dei desossiribonucleotidi (DNA) così come molte funzioni dei suoi organelli interni rimangono ancora sconosciute (solo in tempi molto recenti, ad esempio, si è cominciato a comprendere la funzione dei mitocondri).

Alcuni tipi di cellule

Come altro esempio per valutare quanta strada resti da percorrere per comprendere i segreti della vita, i vari, e finora vani, tentativi per costruire un modello matematico della cellula evidenziano che il suo comportamento non dipende che in minima parte dal fatto che un gene sia attivo o inattivo o che la produzione di una proteina sia o non sia bloccata ma piuttosto dall’interazione tra geni e proteine il che rende i processi vitali estremamente complessi e difficili da identificare. Non sappiamo ancora “che cosa reagisce e con che cosa”.

 

La maggior parte dei biologi sono dell’opinione che la più semplice delle cellule viventi sia già troppo complessa perché anche i più potenti computer riescano in un prossimo futuro a produrre modelli matematici significativamene più accurati delle attuali rappresentazioni approssimative.

Altre ricerche e simulazioni al computer sembrano attribuire anche alle sostanze lipidiche un ruolo considerevole nella costruzione di molecole polimeriche autoreplicanti. I lipidi mostrano la tendenza ad aggregarsi in sistemi sopramolecolari, che possono crescere fino a comprendere migliaia di unità per poi suddividersi con modalità che ricordano la replicazione cellulare.

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