L'ASTRONOMIA PER PASSIONE

  
  
  
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Le comete: taxi per la vita?

La Terra da sola non basta

A caccia di respiriAl termine dell'ultima puntata ci siamo lasciati sostenendo che con il tempo si capì che l'atmosfera della prima Terra non era così riducente come ritenuto a lungo. Quindi la sua composizione non era fondata essenzialmente su idrogeno (H2), metano (CH4), ammoniaca (NH3), ossido di carbonio (CO) e anidride carbonica (CO2) poiché l'elevata temperatura terrestre avrebbe fatto fuggire queste sostanze volatili. Per di più, gli esperimenti degli anni Cinquanta portati avanti da Urey e Miller e degli anni Ottanta di Sagan riuscirono a simulare la sintesi naturale di tutta una serie di aminoacidi e zuccheri, ma non di più.

Non si riuscì mai a far sì che da una singola molecola si riuscisse ad ottenere molecole autoreplicanti come il DNA.

Ovviamente era una mancanza molto forte, dal momento che gran parte degli organismi viventi si basano sul DNA tranne alcuni virus che si basano su RNA.

Terra primordiale: un calore diffuso su tutto il globo


Negli anni Ottanta, allora, J.Levin e J.Kasting iniziarono a mettere in dubbio la presenza abbondante di idrogeno (H2), e quindi la mantenibilità di composti come metano (CH4) e ammoniaca (NH3) che sull'idrogeno si basano molto. Dagli anni Novanta, allora, si iniziò a guardare ai dintorni del nostro pianeta, e quindi al Sistema Solare, per trovare possibili origini dei composti biologici terrestri.

Se la Terra non era autosufficiente, qualcuno deve averla aiutata.

Per attendere questi composti, la Terra aveva quindi preparato una atmosfera debolmente riducente, basata su anidride carbonica (CO2) e azoto (N2), con tracce di ossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2).
E gli esperimenti che hanno portato allo sviluppo di materiale organico in atmosfera riducente? Sono stati ripetuti in laboratorio diminuendo la quantità di idrogeno ipotizzata e, seppur con meno efficienza, hanno prodotto ancora una certa quantità di aminoacidi. Ma nulla di più, ancora una volta.
Nello spazio al di là del nostro pianeta dovrebbero essere trovate molecole organiche relativamente complesse. Ci sono?

Molecole organiche nello spazio profondo

Negli anni Novanta gli scienziati hanno avuto modo di iniziare uno studio ravvicinato dei nuclei di alcune comete come la Halley, la Borrelly e la Wild 2, mentre poterono assistere al passaggio di comete molto grandi come la Hyakutake e la Hale Bopp. Proprio queste osservazioni iniziarono ad infondere la convinzione che proprio le comete potessero aver giocato un ruolo fondamentale di messaggero di vita, dal momento che risultarono essere autentici giacimenti fossili di materia organica complessa.

Tuttavia, anche le comete hanno origine da qualcosa, quindi per capire come si sia giunti a questa ipotesi è necessario partire da un po' più lontano, dallo spazio interstellare.
A vantaggio di questa ipotesi ci sono alcuni fattori, primo tra tutti quello che vede gli atomi più abbondanti negli organismi viventi come i più abbondanti anche nel Cosmo, il che di certo non può essere un caso. Questi elementi sono idrogeno (H), carbonio (C), ossigeno (O) e azoto (N), ed a parte l'idrogeno che proviene direttamente dal Big Bang si tratta di elementi prodotti nelle esplosioni di supernovae. Proprio ad ottobre 2011, tra l'altro, il telescopio giapponese Subaru ha trovato carbonio in una galassia distante ben 12,5 miliardi di anni luce e nota come TNJ 0924-2201, a testimonianza che sebbene il carbonio non sia stato prodotto durante il Big Bang la sua formazione risale comunque a tempi antichissimi, di appena 700 milioni di anni dopo l'inizio di tutto.

Inoltre, le polveri ed i gas interstellari sono stati studiati a lungo in vari spettri, scoprendo circa 150 molecole contenenti fino a 10 atomi, scelti sempre tra i quattro basilari per la vita. Una delle scoperte più clamorose è quella della glicol-aldeide (CH2OH-CHO), uno zucchero individuato nel 2004 nella nube Sagittarius B2, nei pressi del centro galattico, a circa 26.000 anni luce di distanza.  L'immagine in basso rappresenta proprio il processo di formazione di molecole complesse come la glicol-aldeide: la radiazione stellare crea un'onda d'urto nella zona di nebulosa colpita, laddove sono presenti molecole semplici che interagiscono a creare molecole più complesse.

Schema della formazione della glicoladldeide

Molecole così complesse hanno bisogno, per formarsi, di molecole molto semplici che si formano per reazione tra i quattro componenti prima menzionati. Queste semplici molecole così formate, a questo punto, possono venire investite dalla radiazione di giovani stelle in formazione e proprio questa scintilla consente alle molecole di reagire reciprocamente dando vita a molecole più complesse come, ad esempio, la glicol-aldeide. Proprio queste molecole sarebbero in grado di accelerare la formazione biologica su pianeti ricchi di acqua liquida, come la Terra doveva essere nei suoi primi tempi.

Oltre a queste rilevazioni che oramai hanno anche una certa età e che quindi rappresentano concetti ben noti, ci sono ulteriori sviluppi molto più recenti ed ancora in cerca di conferma. E' così che a novembre 2011 è apparsa la notizia per la quale esistono 13 bande di assorbimento ancora non associate a nessun elemento chimico in particolare, scoperte dalla radiazione proveniente dalle zone interstellari in prossimità del centro galattico. Sebbene non sia ancora nota la fonte di questo assorbimento di radiazione, sono in molti ad avanzare l'ipotesi che tutto questo possa dipendere da materiale organico complesso presente nella zona oggetto di indagine. In tal caso, quindi, il materiale organico necessario alla vita sarebbe piovuto sui pianeti proprio da queste zone.
 

Reazioni chimiche nelle lastre di ghiaccio. Credit University of Sherbrooke

Reazioni chimiche nelle lastre di ghiaccio. Credit University of Sherbrooke

Le certezze sono nulla in astronomia, figurarsi in astrobiologia e così l'idea che la vita si sia sviluppata sulla Terra non è affatto condivisa in via generale, anzi. Le molecole organiche, per alcuni, sono in grado di svilupparsi direttamente nello spazio, nonostante i potenti raggi cosmici, lasciando ai pianeti come la Terra il solo compito legato all'evoluzione.

Condizioni estreme come quelle dello spazio sono difficilmente ricreabili nei laboratori ma sottili pellicole di ghiaccio a base di metano e ossigeno - sotto vuoto - possono simulare, più o meno, la cosa. Le lastre sono poi soggette a bombardamento di elettroni e radiazione energetica. L'esperimento ha mostrato come nelle molecole di ghiaccio vadano a innescarsi reazioni chimiche che portano a nuove molecole. All'esperimento sono stati aggiunti, per la prima volta, anche elettroni a bassa energia (LEE).

 
Alcune osservazioni portate a termine da ALMA (Atacama Large Millimeter Array) e dalla missione Rosetta di ESA hanno rivelato la presenza del composto organoalogenato Freon-40, anche noto come meticloruro o clorometano.
Si tratta di un elemento associato, sulla Terra, alla vita già esistente ma la scoperta (Nature Astronomy, Settembre 2017) ha smentito questa teoria visto che l'oggetto intorno al quale questo elemento è stato trovato è una stella appena nata chiamata IRAS 16293-2422, distante 400 ann iluce da noi. Rosetta, invece, ha rinvenuto la firma del Freon-40 sulla cometa 67P. Si tratta di composti formati da alogeni (cloro e fluoro) legati a atomi di carbonio e il ritrovamento in luoghi così ameni fa scendere notevolmente l'utilizzo di questi elementi come chiave per la ricerca della vita. Più probabilmente questi elementi fanno parte del brodo primordiale in termini di formazione planetaria. Non si tratta quindi di elementi ai quali viene associata la vita esistente, ma di elementi che possono essere alla base della formazione della vita.
 
IRAS 16293-2422 immortalato da ALMA
 
A questa scoperta si accompagna quella di Settembre 2017 a opera dello Shanghai Tianma Radio Telescope (TRTM) e di un team di astronomi cinesi, che hanno rintracciato glicolaldeide e glicol etilenico intorno alla nube molecolare gigante Sagittarius B2 (arXiv, 29/09/2017), la cui massa è di circa tre milioni di masse solari in uno spazio di 150 anni luce, a 25 mila anni luce dalla Terra. La nube contiene diversi tipi di molecole complesse, compresi alcohol come etano e metano. Si riteneva che i complessi di più recente scoperta fossero presenti in misura limitata ma le osservazioni, condotte tra marzo e novembre 2016, hanno smentito le conoscenze dell'epoca determinando anche la distribuzione spaziale delle molecole di glicolaldeide e di glicol etilene. La prima è una molecola legata allo zucchero che può reagire a formare il ribosio, costituente del RNA; la seconda è chimicamente legata all'etano. La loro distribuzione si estende per 117 anni luce, una estensione 700 volte maggiore rispetto a quella osservata nelle nubi della Via Lattea. La quantità, inoltre, decresce dalle regioni esterne e fredde verso le regioni centrali, il che lascia pensare che la presenza non sia legata alla formazione stellare, con un processo di formazione che si accontenta quindi di basse temperature. 
 
Immagine composita di sagittarios B2 dalla ATLASGAL Survey (in mezzo, a sinistra). Credit ESO/APEX
 
Immagine composita di sagittarios B2 dalla ATLASGAL Survey (in mezzo, a sinistra). Credit ESO/APEX

Meteoriti e stagni

Origine della vita da impatti meteorici in stagniIn base a uno studio apparso a Ottobre 2017 a firma del Max Planck Institute su Proceedings of the National Academy of Sciences, la vita sulla Terra risale a un tempo tra 3.7 e 4.5 miliardi di anni fa, in seguito a meteoriti caduti all'interno di piccole "pozzanghere" calde, stagni. Cicli bagnato-asciutto dovrebbero aver portato le basi molecolari fondamentali nel brodo di nutrienti e di molecole auto-replicanti. Il risultato nasce da uno studio interdisciplinare e sebbene l'ipotesi di questi pozzi caldi sia in giro dai tempi di Darwin, stavolta gli scienziati hanno provato la plausibilità dell'idea attraverso numerosi calcoli. La Terra stava ancora prendendo forma, con i continenti in fase di emersione dagli oceani e con meteoriti che colpivano il pianeta portando caldo e blocchi vitali in assenza di ozono protettivo. 
Elemento cruciale è stato, secondo gli autori, la creazione dei polimeri RNA: le componenti essenziali dei nucleotidi, consegnati dai meteoriti, hanno raggiunto concentrazioni sufficienti nelle pozze d'acqua, amalgamando il tutto durante i cicli di precipitazioni ed evaporazioni che hanno consentito variazioni cicliche dei livelli di acqua. Secondo gli autori, in alcuni casi le condizioni favorevoli avrebbero portato alla replicazione spontanea, soddisfacendo una delle condizioni essenziali per la definizione di vita. Si trattava di polimeri imperfetti, evoluti poi secondo la legge di Darwin, soddisfacendo quindi anche l'altra condizione. Una sorta di Santo Graal dell'origine della vita. Da qui, in seguito, l'origine dello sviluppo del DNA, evolutosi molto più tardi. Fino ad allora, la vita sarebbe stata basata sul solo RNA. Il DNA è troppo complesso per aver potuto rappresentare il primo aspetto vitale. 
Gli stagni, quindi, salgono alla ribalta molto più delle fratture idrotermali sui fondali oceanici visto che la formazione del RNA richiede cicli umidi e cicli asciutti. Anche i calcoli sembrano eliminare la polvere spaziale come fonte di nucleotidi in grado di originare la vita: i materiali erano giusti ma le concentrazioni erano insufficienti. I meteoriti erano molto maggiori e le probabilità di finire negli stagni erano elevatissime. 
 
Vita sulla Terra, rappresentazioneL'origine della vita sulla Terra potrebbe aver trovato un nuovo link mancante a The Scripps Research Institute (TSRI). I ricercatori impegnati sulla comprensione dell'origine della vita hanno ipotizzato che una reazione chimica chiamata "fosforilazione" potrebbe aver giocato un ruolo chiave nell'assemblaggio di tre ingredienti nelle prime forme vitali: brevi catene di nucleotidi per immagazzinare le informazioni genetiche, brevi catene di aminoacidi (peptidi) per il lavoro primario delle cellule e lipidi per formare struttura come le pareti cellulari. L'agente in grado di svolgere questo lavoro di unione non è mai stato rintracciato ma potrebbe esser stato presente sulla Terra primordiale prima di sparire dopo aver prodotto le tre classi di molecole sotto le stesse condizioni. 
Al TSRI hanno individuato un composto in grado di svolgere questo lavoro, il diamidofosfato (DAP), e di consentire l'evoluzione verso altre forme, cosa che fino alla reazione chimica indicata non era possibile (Nature Chemistry, TSRI).  
Altri ricercatori avevano già descritto reazioni chimiche in grado di abilitare il processo di fosforilazione di molecole prebiologiche nella Terra primordiale ma oggi, per la prima volta, lo scenario coinvolge diversi agenti per diversi tipi di molecole in ambienti diversi e spesso poco comuni. 
Il DAP riesce a innescare la reazione in ciascuno dei quattro nuclei di base del RNA in acqua ma anche in ambienti a diverse condizioni di temperatura, e non solo. Tramite la semplice aggiunta del catalizzatore imidazolo, semplice composto organico presente nella Terra iniziale, l'attività del DAP può portare alle prime catene simili allo RNA. In acqua si giunge anche a un processo di auto-assemblaggio di piccole capsule, versioni primitive delle cellule. A temperatura ambiente si giunge ad applicare il processo alla glicina e all'acido aspartico aiutando il legame tra queste molecole in piccole catene di peptidi, versioni minori delle proteine. 
Il DAP riesce quindi a ottenere tre importanti classi di molecole pre-biologiche e a farle interagire.

Il ruolo delle comete nel trasporto di materiale

Abbiamo visto che le nubi molecolari dalle quali si formano stelle e pianeti sono ricchi di composti organici. Ma come sono giunti sui pianeti, in particolare sulla Terra? Occorre un mezzo che sia efficiente, nel senso che deve trasportare questi composti senza alterarne le caratteristiche, dal momento che più sono complessi e più sono fragili. Le comete in tal senso hanno sempre più interessato la comunità scientifica.
Composte da ghiaccio, le comete sono un "sottoprodotto" inevitabile nel gioco della formazione di un sistema planetario dal momento che l'acqua è la molecola più diffusa nel cosmo dopo l'idrogeno molecolare (H2) e l'ossido di carbonio (CO). Fasce cometarie simili alla "nostra" Nube di Oort sono state osservate intorno a stelle come Vega e Fomalhaut, ad esempio. 

La zona di formazione stellare IR-C2 in Orione

Dagli anni Novanta sono state scandagliate tantissime nubi molecolari ed in tutte è stata trovata acqua come prodotto derivante dall'attività di formazione stellare. Ad esempio, nella regione IR-C2 al centro di M42 in Orione si forma tanta acqua quanta ne sarebbe sufficiente a ricoprire 1000 pianeti come la Terra.

Anche in regioni nebulose fredde con temperature vicine allo zero assoluto è stata trovata acqua in forma di ghiaccio in grande quantità, in misura di 1 o 2 molecole ogni 10 molecole di ossido di carbonio. 
Come si accennava, tutta quest'acqua non può avere origine locale ma deve venire da più lontano, deve essere legata ad una polvere ricca di ghiaccio eiettata nello spazio da stelle di generazioni precedenti. 
Un sistema planetario che ha la possibilità di formarsi in una simile regione così "fredda" ha quindi a disposizione una ricca quantità di acqua, o meglio di ghiaccio, che può trovare nelle regioni più fredde, ossia in quelle più lontane dalla stella centrale, a partire circa da 30 Unità Astronomiche (l'Unità Astronomica UA è la distanza media della Terra dal Sole e corrisponde a circa 150 milioni di chilometri) dall'astro. Non a caso, proprio a ottobre 2011 la sonda Herschel dell'ESA ha trovato un anello di ghiaccio a cingere il sistema planetario in formazione intorno alla stella TW Hydrae, posta nell'Idra Femmina a 175 anni luce da noi e con una età di circa 10 milioni di anni. La quantità trovata in questa zona, che si estende fino a 200 Unità Astronomiche dalla stella, possiede talmente tanta acqua da riuscire a coprire centinaia di pianeti come il nostro.

Rappresentazione artistica della zona di ghiaccio che circonda il disco protoplanetario di TW Hydrae. Credit ESA

Non solo acqua però, ma anche composti organici. E così, il materiale planetario che subisce meno processi evolutivi, meno collisioni è quello che non si è mai conglomerato in corpi maggiori, come le condriti carbonacee (asteroidi) oppure quello che si è formato ed è rimasto molto lontano dalla zona più calda, come i nuclei cometari. Proprio questo materiale è quello che riesce a conservare le quantità maggiori di acqua in un sistema planetario. 

Nel nostro Sistema Solare queste sacche di nuclei cometari sono la Fascia di Kuiper e la Nube di Oort, quest'ultima posta a circa 1 o 2 anni luce dalla stella centrale laddove i raggi cosmici riescono ad innescare un altro miracolo chimico, anche grazie al supporto catalitico del ghiaccio: aumenta ancora di più la complessità delle molecole presenti fino alla formazione di vere e proprie sostanze polimeriche

Abbiamo visto che ai bordi dei sistemi planetari esiste una immensa riserva di acqua e di composti organici, esattamente come esiste nelle condriti carbonacee anche se in misura di gran lunga inferiore. Ma come sono arrivate queste riserve sulla Terra? Da dove viene l'acqua che copre il 71% della superficie terrestre e che si estende fino a livelli ancora ignoti di profondità?
Come detto, dal momento che il calore primordiale della Terra avrebbe fatto evaporare l'acqua già esistente, gli astronomi hanno iniziato ad alzare gli occhi al cielo per cercare i responsabili, e ovviamente le prime indiziate sono state le comete che di ghiaccio sono prevalentemente composte e che quindi, impattando la Terra, avrebbero rilasciato il loro materiale sul nostro pianeta. Niente di più facile da pensare, e niente di più difficile da provare dal momento che lo studio ravvicinato di molte comete quali la Halley, la Hyakutake, la Hale Bopp e tante altre hanno sempre fornito esito negativo per quanto riguarda l'apporto di acqua e, di conseguenza, anche di quello organico. Risultati in controtendenza quindi: dal punto di vista organico non c'era dubbio del legame esistente tra comete e nubi molecolari, ma se l'acqua presente nell'oceano non proviene dalle comete, come è possibile che i composti organici dei quali le comete sono portatrici siano arrivati fino a noi e l'acqua no?

IL PROBLEMA DELL'ORIGINE DELL'ACQUA TERRESTRE

L'esito ricercato era un rapporto tra idrogeno e deuterio, un isotopo dell'idrogeno stesso, simile a quello presente nell'acqua degli oceani terrestri. In presenza di un rapporto simile, infatti, sarebbe facile intuire che l'acqua oceanica provenga dalle comete. E invece il rapporto è sempre stato più simile a quello degli asteroidi piuttosto che a quelli cometari, anche se ovviamente gli asteroidi possiedono molta meno acqua rispetto alle comete.

I dati di Herschel che mostrano il legame tra il ghiaccio della Hartley2 e l'acqua oceanica terrestre

Deuterio e idrogeno si sono formati con il Big Bang e il loro tasso relativo di abbondanza si è quindi deciso in quel momento, anche se può variare da luogo a luogo in base alle caratteristiche. In alcune circostanze quindi il deuterio ha maggiori possibilità di sostituire l'idrogeno nelle molecole di acqua.
Insomma, tutto sembrava remare a favore degli asteroidi, anche alcuni strani asteroidi trovati nella Fascia Principale tra Marte e Giove, che presentavano un aspetto cometario con tanto di coma e di coda. Un esempio su tutti è balzato alla ribalta nel 2010 e si chiama P/2012 A2: è grande 220 metri di diametro e abita nella Fascia Principale. Un altro è l'asteroide 596 Sheila, che addirittura mostra tre code in seguito ad una collisione, oppure l'asteroide 133P Elst Pizarro.
Insomma, di casi ce ne sono tanti, ma la speranza era sempre quella di trovare una cometa compatibile, perché la poca quantità di acqua presente sugli asteroidi era proprio dubbia. Ad ottobre 2011, allora, un'altra notizia è risultata molto importante e riguardò la cometa che ad ottobre 2010 diede spettacolo nei telescopi degli astrofili italiani, la Hartley2. Sempre l'osservatorio spaziale Herschel ha analizzato infatti la componente di acqua che compone questa cometa riscontrando un tasso deuterio/idrogeno uguale a quello degli oceani terrestri. Sembrerebbe quindi che finalmente sia stato trovato il gruppo di comete al quale legare l'acqua che copre la superficie solida terrestre, visto che in prima analisi si è indotti a ritenere che il fattore determinante sia la provenienza della cometa, e in questo caso la Fascia di Kuiper. In realtà come prima impressione è difficile pensare che la Terra sia stata colpita solo da comete di questa famiglia, quindi ci si attenderebbe di più un mix di proprietà di varie famiglie cometarie, ma ad oggi la Hartley 2 è la cometa che meglio approssima, anzi lo fa quasi perfettamente, la composizione dei nostri oceani.

SICURI CHE L'ACQUA SIA ARRIVATA TRAMITE IMPATTI?

Non è un caso strano che i pianeti vengano colpiti da comete, e la Shoemaker-Levy 9 che nel 1994 si è schiantata su Giove ne è un esempio lampante. Così come le cicatrici che a volte segnano il volto di Giove, anche se spesso si tratta di asteroidi. Anche la Luna si presume sia nata dalla collisione di un corpo grande quanto Marte con la nostra Terra, quindi la storia ci insegna che in un sistema instabile oppure in presenza di corpi con orbite che tagliano quelle degli altri corpi, le collisioni sono possibili.
I nostri modelli si basano sulla ipotesi molto avvalorata che un tempo, quando la Terra aveva più o meno un miliardo di anni, sia stata bersaglio di una vera e propria pioggia di asteroidi e comete, in una fase nota come Bombardamento Pesante. Non solo la Terra ovviamente, e ne è prova la superficie molto craterizzata della Luna e di Mercurio, oltre a quella di Marte. Sulla Terra il movimento delle placche ha fatto sì che queste cicatrici venissero coperte, ma non è un caso che la geologia non riesca a trovare rocce più antiche di 4,7 miliardi di anni fa. Un bombardamento quindi, dovuto forse alla migrazione di Giove verso orbite più esterne e che quindi ha turbato i corpi della Fascia di Kuiper, mentre stelle di passaggio o esplosioni di supernovae possono aver turbato i nuclei cometari della Nube di Oort, più lontana e sferica, disposta tutta intorno al nostro sistema solare. Ci chiediamo se questo sia un fenomeno possibile, e la risposta è ormai certa dal punto di vista teorico ma ora anche in quello pratico.

Rappresentazione artistica della pioggia di comete su Eta Corvi. Credit: NASA

Il telescopio spaziale Spitzer della NASA ha infatti trovato i segni di una vera e propria pioggia di corpi ghiacciati in un sistema planetario alieno. Il sistema è quello di Eta Corvi, intorno alla cui stella centrale il telescopio della NASA ha scovato delle polveri che per composizione ricordano molto una cometa gigante, sporcata dalla polvere planetaria sollevata durante le collisioni. Questa è una congettura, ma la polvere è stata trovata in zone davvero molto vicine alla stella, proprio nelle orbite di possibili pianeti rocciosi. Una curiosità riguarda l'età di questo sistema planetario, che guarda caso si aggira intorno al miliardo di anni proprio a ripercorrere le tappe del bombardamento pesante sperimentato dal nostro Sistema Solare. Altra similitudine è data proprio dalla composizione chimica di vapore acqueo e composti organici, che ricordano quelli del meteorite Almahata Sitta caduto sul Sudan nel 2008. A 150 unità astronomiche dalla stella Eta Corvi, invece, è stato scoperto già nel 2005 un anello di polveri più freddo, a rappresentare qualcosa che gli astronomi riconducono ad una Fascia di Kuiper.

Meteorite. Credit University of Manchester

Meteorite. Credit University of Manchester

Uno dei misteri legati al trasporto tramite meteoriti risiedeva nella quantità di alogeni presenti in questi corpi celesti, quantità che si è poi rivelata troppo alta. Gli alogeni sono elementi che danno vita a sali essenziali per la nostra vita ma che, in concentrazioni troppo elevate, possono inibirla. Le misurazioni effettuate dalla University of Manchester's School of Earth and Environmental Sciences (SEES) nel 2017 mostrano come in realtà il livello di alogeni presente nelle condriti, resti fossili della nube molecolare che ha dato vita al Sistema Solare, sia molto inferiore a quanto calcolato fino al momento dello studio (Nature, Dicembre 2017). 

Lo studio organico delle comete

Quindi, come risulta dalla teoria e dalle recenti notizie, le comete hanno colpito eccome i pianeti del Sistema Solare e lo fanno anche in altri sistemi planetari intorno ad altre stelle.
Anche il materiale organico che le comete possiedono, quindi, si è schiantato sulla Terra ed ha reagito con i composti presenti in atmosfera e al suolo: la tempesta di comete che si è abbattuta sulla Terra dopo circa 600 milioni di anni dalla formazione e che è durata fino a circa 3,8 miliardi di anni fa infatti, sembra non aver portato soltanto distruzione ambientale ma anche germogli vitali.
Ma da dove vengono le certezze per questi dati che vedono le comete ricche di composti organici? Dagli studi diretti del nucleo cometario, oppure dall'osservazione dello spettro di grandi comete.

IL NUCLEO DELLA COMETA HALLEY

Fino al 1986 gli scienziati si erano accontentati di ricercare nelle comete la presenza di nitrile (CN) e di formaldeide (HCHO). Nel 1986 tutto cambiò, dal momento che la cometa di Halley fu avvicinata e studiata da due sonde, la Vega e la Giotto, con decine di strumenti diversi in grado di studiarne polveri, gas ionizzato e gas neutro. Apparve subito una netta predominanza di acqua (H2O) in misura dell'80% e prodotta al ritmo di circa 15 tonnellate al secondo, seguita da anidride carbonica (CO2) in misura del 3% dell'acqua. Spiccava la quasi totale assenza di ossido di carbonio (CO), che venne poi trovato in seguito molto più distante dal nucleo.
Fu confermata la presenza di formaldeide (HCHO), molto reattiva e quindi facile da coinvolgere in sintesi organiche complesse.

Il nucleo della cometa di Halley visto dalla sonda Giotto

Un mistero fu rappresentato da una riga di assorbimento a 3,4 microns, attribuita a svariate cause che andavano dall'irraggiamento cosmico ad alta energia di ghiaccio e metano, in grado di produrre un residuo organico, alla presenza addirittura di batteri disidratati a 60°C!
Fu scartata la presenza di questi batteri, che avrebbe comportato percentuali maggiori dell'1% di sodio (Na) e maggiori dello 0,1% di potassio (K), oltre a valori superiori di fosforo (P). Dal confronto dei dati della Halley con quelli della cometa Wilson, al suo primo passaggio vicino al Sole e quindi priva di qualsiasi azione locale di formazione organica (aveva una orbita parabolica, quindi non era una cometa periodica e proprio per questo era al primo passaggio vicino al Sole), si dedusse che il materiale organico in grado di assorbire a 3,4 microns venisse prodotto negli spazi interstellari, visto che era presente anche in comete mai avvicinatesi al Sole e quindi che non avevano mai sperimentato reazioni locali.
L'analisi delle polveri della cometa fecero risultare un carbonio C depauperato nell'isotopo 13C, mentre c'era un arricchimento in 15N, isotopo dell'azoto. Anche questo avvalorava una origine interstellare della componente organica e spingeva a favore della presenza della molecola di adenina (N5C5H5), pentamero dell'acido cianidrico (HCN) e quindi in grado di velocizzare la nascita della vita sulla Terra primordiale.
La composizione della Halley somigliava quindi ad una condrite carboniosa, ma la presenza di carbonio era sette volte maggiore, quella dell'azoto cinque volte e quella dell'idrogeno due volte. Una polvere, quindi, tipica delle condriti carboniose ma molto arricchita dal punto di vista del materiale organico, che potrebbe trovare spiegazione nella presenza di polimeri dell'HCN (acido cianidrico).
Anche i singoli granuli di polvere vennero studiati, e si ottenne una classificazione in tre gruppi. Il primo aveva una composizione di condrite carboniosa (sia silicati che carbonio), il secondo era esclusivamente silicato mentre il terzo era integralmente organico. A noi interessa l'ultimo gruppo (granuli CHNO), che a loro volta erano molto disomogenei: il 30% era formato da C, H e N e presentava precursori di aminoacidi; un altro 30% era formato da C e H a rappresentare idrocarburi insaturi e aromatici; un 20% era composto da C, H e N rivelando la presenza dei costituenti principali del DNA (basi puriniche e pirimidiniche); il restante 20% conteneva C, H e O (acido formico, formaldeide, acido acetico). La vera novità fu il ritrovamento del primo polimero extraterrestre: la poliformaldeide (POM, poli-ossi-metilene).

Dallo studio della Halley derivò una convinzione: dalla stima dei crateri lunari si dedusse che sulla Terra primordiale caddero almeno 1023 grammi di materiale cometario. Se tutte le comete contengono il 10% di materiale organico che possiede la Halley, allora si ha la prova che le comete possano aver portato una quantità di composti carboniosi in linea con quella che si stima sepolta nei sedimenti terrestri più antichi (1,2x1022 gr).

Le comete, quindi, dovrebbero aver contribuito molto ai processi evolutivi che hanno portato alla vita sulla Terra.

L'INCONTRO TRA DEEP-SPACE 1 e 16/P BORRELLY

Il nucleo della Borrelly ripreso da DS-1, in falsi colori

La cometa 16/P Borrelly è tra le più attive tra quelle della famiglia di Giove, anche se la sua attività è ridotta rispetto a quella della Halley. E' una cometa abbastanza "banale" ma salì agli onori della ribalta perché avvicinata dalla sonda Deep Space 1 (DS-1) circa otto giorni dopo il perielio nella notte tra il 22 e il 23 settembre 2001.
L'attività di questa cometa si rivelò molto differente rispetto a quella della Halley, soprattutto a causa di differenti proprietà dinamiche rispetto alla posizione del Sole. La DS-1 non era nata con lo scopo di avvicinare la cometa quindi la strumentazione a bordo non era la più adatta a fare scoperte, tuttavia qualche dato si rese disponibile e ne risultò una cometa particolarmente asciutta rispetto alla Halley, con una percentuale di acqua di dieci volte inferiore a quella della prima cometa e con un contenuto molto ridotto di ossido di carbonio e di carbonio ionizzato una e due volte (CII e CIII).
Da allora è stato quantificato che un terzo delle comete somiglia alla Borrelly mentre due terzi somigliano alla Halley, a voler indicare due regioni di formazione differenti per le due famiglie cometaria. Così, la Halley avrebbe preso vita nella Nube di Oort mentre la Borrelly nella Fascia di Kuiper.
Anche la Borrelly presentava, comunque, una riga di assorbimento sconosciuta, ma stavolta ai 2,4 microns.

LA WILD 2 e STARDUST

Rappresentazione artistica della Stardust verso la cometa Wild2

Dopo due comete così differenti, occorreva studiare da vicino una cometa giovane e l'occasione migliore era rappresentata dalla cometa Wild-2, avvicinata dalla sonda Stardust il 2 gennaio 2004 alla distanza di 225 chilometri. La cometa era veramente giovane, visto che si trovava soltanto al quinto perielio della sua vita, e l'incontro avvenne dopo 97 giorni dal punto di maggior vicinanza solare.
L'incontro è durato in tutto 119 giorni, durante i quali la sonda ha scoperto due cose essenziali: la prima è che gli impatti della strumentazione con le particelle cometarie non erano fluidi ma andavano ad intermittenza, con picchi intercalati da pause legate presumibilmente alla dissoluzione improvvisa dei frammenti minori legati al ghiaccio in evaporazione o alla rotazione del nucleo. La seconda riguardava la composizione chimica della cometa, di natura profondamente organica anche se con qualche differenza rispetto alla Halley. La maggior parte della composizione è di tipo CHN, con abbondanza di cianogeno (CN) e scarse tracce di aminoacidi. Scarsi anche idrogeno e ossigeno, il che ha fatto escludere una presenza di POM superiore al 2%.
Il materiale è stato riportato a Terra il 15 gennaio 2006 e l'analisi dei dati continuerà ancora per anni.
Il prossimo incontro è quello previsto per la sonda Rosetta con la cometa 67P Churyumov-Gerasimenko, previsto per il mese di novembre 2014.

LE GRANDI COMETE DI PASSAGGIO: LA HYAKUTAKE DEL 1996

La cometa C/1996 B2 Hyakutake ha solcato i nostri cieli nel marzo 1996, vicinissima alla Terra e per questo molto visibile tanto da sfiorare magnitudine zero. La sua coda, che abbracciò 60 gradi di cielo, è la più lunga mai registrata se è vero che la sonda Ulysses ci finì dentro alla distanza di 550 milioni di chilometri dal nucleo.
La sua particolarità era data dal fatto che una cometa così piccola e giovane mostrasse una attività enorme, tanto da coinvolgere il suo intero nucleo contrariamente alla Halley che invece vedeva coinvolto soltanto il 10% della superficie. Si pensò allora che il nucleo della Hyakutake fosse molto meno protetto rispetto a quello della Halley da quel materiale catramoso che donava il colore nerastro alla cometa più famosa.

La cometa Hyakutake con qualche frammento staccatosi dal nucleo. Credit NASA

Dal punto di vista organico, la Hyakutake fu davvero sorprendente dal momento che non solo mostrava le molecole classicamente trovate nelle comete fino ad allora studiate come OH, CN e CO, ma ne presentava anche di molto rare come formaldeide (HCHO), metanolo (CH3OH), ammoniaca (NH3) e zolfo biatomico (S2), unitamente ad altre mai trovate fino ad allora come metano (CH4), etano (C2H6), acido isocianico (HNC), acqua deuterata (HDO).
Soprattutto etano e metano avevano implicazioni molto pesanti sulla origine della cometa. Le bande di metanolo erano quasi del tutto assenti, con concentrazione di ossido di carbonio molto scarsa, mentre il metano era lo 0,7% dell'acqua e l'etano era lo 0,4%, percentuali molto alte rispetto a quanto osservato fino ad allora.
La presenza di metano non fu sorprendente, ma la sua quantità si. Invece destò scalpore la presenza di etano, visto che a quel tempo non era mai stato trovato nelle nubi interstellari. La cometa potrebbe quindi essersi formata all'interno del Sistema Solare laddove la radiazione stellare potrebbe aver trasformato parte del metano in etano, oppure potrebbe provenire da altri sistemi planetari.
Il rapporto tra deuterio e idrogeno dell'acqua era la metà rispetto a quello della Halley ed era molto simile a quello dell'oceano terrestre, mentre il rapporto tra acido isocianico instabile e acido cianidrico più stabile era piuttosto alto rispetto ai valori dello spazio interstellare. La Hyakutake risultava quindi più giovane della Halley, almeno stando a questi valori. L'emissione di acqua risultò molto simile a quella della Halley invece, e questo era strano considerando la limitata dimensione della Hyakutake: altra prova del fatto che tutta la superficie era coinvolta nell'attività cometaria.
Come poteva, tuttavia, questa cometa essere giovane, piccola e così attiva? Si pensò che potesse trattarsi di un frammento di una cometa più grande, spezzatasi durante un perielio di circa 14.000 anni fa e questa ipotesi si avvalorò quando si notò la friabilità della Hyakutake, che durante l'avvicinamento al Sole non fece altro che frammentarsi. Ogni frammento iniziava a comportarsi come una cometa, sebbene tanto piccolo da spegnersi molto presto. Nonostante questo, la cometa sopravvisse al perielio, come dimostrarono osservazioni della sonda SOHO che la osservò allontanarsi di nuovo.

LA HALE BOPP

La cometa Hale Bopp

Sicuramente la cometa più osservata della storia è stata la Hale Bopp del 1997. La sua grandezza ed il suo immenso splendore hanno consentito di studiare questa cometa sia prima che dopo il perielio, per un tempo che è andato dalla sua scoperta del 22 luglio 1995 fino alla fine del 2000.
Le scoperte consentite da questa cometa sono innumerevoli e legate a tutti gli step di avvicinamento ed allontanamento dell'orbita, quindi si presentano soltanto gli aspetti più rilevanti ai fini della composizione molecolare.
Innanzitutto, a fronte di una media di 0.2, il rapporto tra polvere e gas della Hale Bopp è stato misurato addirittura in 3,5 a testimonianza che si tratta di una delle comete più polverose mai viste nella storia cometaria. Il componente principale del gas era l'ossido di carbonio (CO), in quantità pari al 20% dell'acqua ed in linea con quanto visto nella Halley.
A predominare nelle polveri, invece, erano senza dubbio i silicati, sia amorfi che cristallini, con una piccola quantità di materia carboniosa, fonte primaria del classico CN. Nella Hale Bopp furono scoperte anche quantità di olivina e di pirosseno cristallino, con implicazioni sulla storia cometaria. infatti, questi due elementi si formano solo a temperature molto alte, quindi si è costretti ad ammettere che il materiale cometario abbia subito, in un dato momento storico, un intenso riscaldamento da parte della stella centrale dell'orbita.
Nella cometa Hale Bopp sono state individuate ben 28 molecole nuove nel radio, tra le quali alcune sono del tutto nuove per una cometa. SO2 in misura dello 0,1% rispetto all'acqua, H2CS in misura dello 0,2%, acido formico (HCOOH) in misura dello 0,6%, formaldeide (NH2CHO) in misura dello 0,01% e formiato di metile (HCOOCH3) in misura dello 0,06%. La cometa ha dimostrato uno strettissimo legame con lo spazio interstellare, derivante dalla proporzione tra metanolo presente sulla cometa stessa e quello presente in alcune nubi molecolari. Le molecole organiche della Hale Bopp quindi derivano dallo spazio interstellare, mentre l'origine della cometa risiede nel Sistema Solare se è vero che il rapporto tra deuterio e idrogeno, nonché di altri rapporti isotopici, rispecchiano i valori noti all'interno del Sistema Solare.
Notevole importanza riveste, infine, la presenza di glicol-etilenico nella cometa, visto che il precursore di questo composto è la glicol-aldeide (ne deriva per semplice reazione con idrogeno). Questa presenza non fa altro che avvalorare il fatto che la cometa ha raccolto nello spazio interstellare tutto il materiale organico del quale è in possesso.
Il legame tra l'origine veloce della vita sulla Terra e le comete sembra sempre più stretto.

La polvere come mezzo di diffusione biologica

Credit CC' Public Domain

Credit CC0 Public Domain

A portare la vita sulla Terra potrebbe aver pensato anche la polvere interplanetaria (Astrobiology - University of Edunburg Novembre 2017). Proprio questa polvere interplanetaria avrebbe bombardato la Terra trasportando organismi ridotti da mondi lontani oppure potrebbe aver spedito verso l'esterno organismi terrestri. Gli stream di polvere potrebbero collidere con particelle biologiche nell'atmosfera terrestre con energia in quantità tale da deviarle verso lo spazio esterno. Questo consentirebbe ai batteri e ad altre forme vitali di fuggire da un pianeta e giungere a un altro. Non solo impatti e comete, quindi, ma anche trasferimento tra pianeti, cosa che comunque era già stata ipotizzata e che ora trova una lancia a favore. Gli stream possono raggiungere i 70 chilometri al secondo prima di collidere con l'atmosfera di un pianeta e particelle presenti ad altezze di 150 chilometri o maggiori potrebbero essere colpite da questi getti, fuggendo dalla gravità planetaria. Alcuni batteri, piante e piccoli animali (presenti alle altezze indicate) potrebbero vivere nello spazio quindi potrebbero andare a terminare il proprio viaggio su altri pianeti.

Per concludere

Concludendo, possiamo riassumere alcuni concetti di base. 

La vita sulla Terra sembra provenire dal materiale organico trasportato dalle comete principalmente, e le comete hanno raccolto questo materiale organico nello spazio interstellare, nella parte di orbita percorsa fuori dal Sistema Solare oppure nella zona di origine e di residenza, quale la Fascia di Kuiper o la Nube di Oort.
Le comete, quindi, come maggiori indiziate e le notizie in tema di sistemi planetari extrasolari non fanno altro che avvalorare queste tesi, dal momento che fasce cometarie sembrano appartenere a moltissime stelle intorno a noi. 

VELOCITA' E PROBABILITA'

La scala temporale dell'abiogenesi terrestre è di alcune centinaia di milioni di anni, molto breve dal punto di vista cosmologico. La vita si è quindi formata in tempi molto brevi, ma questo vuol dire che si forma facilmente? Brevità e facilità non sono la stessa cosa, quindi il fatto che si sia sviluppata in tempi brevi non significa che lo sviluppo della vita sia anche probabile
Immaginiamo la Terra al momento dell'abiogenesi: le cellule prebiotiche devono essere giunte su vari punti della Terra, dotata di requisiti di abitabilità. Quindi dovrebbero essere stati presenti diversi "focolai" di vita su tutto il pianeta, tra loro indipendenti. Non dovremmo trovare organismi terrestri tra loro differenti a livello molecolare e genetico? Eppure la vita sulla Terra è molto uniforme, a partire dalla omochiralità delle molecole biologiche, levogire, e dall'unicità del codice genetico. La vita sembra quindi aver avuto una origine comune, data da un unico processo di abiogenesi. Le soluzioni a questa diatriba possono essere diverse.
  1. la vita che si è affermata ha eliminato nel tempo tutte le altre vite alternative create in diversi focolai di abiogenesi;
  2. esistono davvero microrganismi diversi, ma non abbiamo una elevata conoscenza degli aspetti microbiologici del nostro pianeta;
  3. le condizioni ambientali terrestri hanno consentito lo sviluppo vitale soltanto in un determinato momento, per poi cambiare nel tempo e non consentire più alcuna forma di abiogenesi, ma in tal caso le condizioni di abiogenesi sarebbero molto più stringenti di quanto ipotizzato e lo sviluppo della vita sarebbe davvero difficile.
Come si è evoluta la vita da queste prime molecole organiche a quello che vediamo oggi? Si tratta davvero di un mistero, ma alcune teorie esistono, e le vedremo nel prossimo capitolo.

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lanonna - 03/08/2014 12:38:00
Molto interessante....non è per niente semplice la convivenza nel cielo! In tutto questo grande lavorio per costruire la vita mi piace pensare che smetteremo di dire "ti ha portato la cicogna" e diremo, con tanta poesia "sei arrivato a cavallo di una cometa!!!"......
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Ares73 - 29/03/2016 23:38:04
Benchè non vi siano prove certe ed univoche, la formazione di composti organici prebiotici potrebbe avvenire con altrettanta facilità nelle nubi molecolari interstellari che in ambienti riducenti di origine planetaria (parlo generalizzando). D'altro canto fenomeni legati all'attività geologica del pianeta (innescata dall'acqua cometaria durante il Bombardamento Pesante?) avrebbero potuto benissimo cancellare le prove di un'origine endogena. Di più, l'origine monofiletica della vita sulla Terra (non ci sono,non dico prove, ma nemmeno indizi del contrario) fa nettamente propendere per un processo così improbabile che ipotizzare una 'selezione naturale' di focolai diversi appare davvero inverosimile.

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