Astrobiologia

L’astrobiologia è una scienza che studia l’origine, l’evoluzione e la distribuzione delle forme di vita nell’universo, cercando di scoprire se esistono forme di vita nate fuori dal pianeta Terra.

L’astrobiologia coinvolge in tutto il mondo un gran numero di ricercatori appartenenti a varie discipline: astronomia, biologia, scienze della Terra, matematica, scienze e tecnologie delle telecomunicazioni, ma anche sociologia e filosofia. L’Unione Astronomica Internazionale, che raccoglie tutti gli astronomi professionisti, ha una sezione dedicata all’astrobiologia (Commissione F3 Astrobiology), ed esistono Istituti di astrobiologia presso diverse Istituzioni scientifiche, quali per esempio il NASA Astrobiology Institute, il Centro de Astrobiología. Due riviste scientifiche internazionali si occupano esclusivamente di astrobiologia: Astrobiology e International Journal of Astrobiology. Diverse associazioni di ricerca professionali raccolgono gli scienziati che si occupano di astrobiologia; le principali sono The International Society for the Study of the Origin of Life – The International Astrobiology Society (ISSOL) e l’European Astrobiology Network Association (EANA), che raccoglie le società di astrobiologia che operano in Europa. In Italia esistono alcuni insegnamenti universitari di astrobiologia.

Questa scienza in passato veniva definita anche bioastronomia o esobiologia; tali denominazioni sono usate ancora da qualche autore.

Sostanze essenziali per gli esseri viventi e loro diffusione nello spazio

Si stima che l’universo si sia formato 13,8 miliardi di anni fa da quello che è comunemente chiamato Big Bang. Ci sono due momenti, avvenuti dopo il Big Bang, particolarmente interessanti per la formazione di pianeti e per l’esistenza della vita. Il primo è la nucleosintesi primordiale, immediatamente successiva al Big Bang, che ha creato gli elementi iniziali dell’universo e che è poi proseguita all’interno delle stelle. Il secondo è la formazione di strutture, quali galassie, stelle e pianeti.

Gli elementi chimici generati agli esordi del nostro universo sono stati elio, idrogeno e, in piccola parte, litio, distribuiti in enormi nubi di gas. Sotto l’azione della forza di gravità, anche all’epoca attuale le nubi di gas collassano su se stesse, riscaldandosi e dando origine alle stelle. Nella parte centrale delle stelle, il core, avviene la fusione nucleare in cui quattro atomi di idrogeno collidono tra loro unendosi a formare elio (bruciamento dell’idrogeno tramite la reazione protone-protone).

Trasformazione del silicio in ferro

Nelle stelle con una massa di almeno 0.4 masse solari, l’elio del core viene successivamente convertito in carbonio (reazione 3 alfa). Solo nelle stelle più massicce del Sole avviene la fusione degli elementi più pesanti, con il bruciamento del carbonio e la successiva produzione, bruciamento dopo bruciamento, di elementi più pesanti: ossigeno, neon, silicio. La fase finale dei processi di nucleosintesi è la trasformazione del silicio in ferro. Dato che la fusione del ferro è un processo endotermico, cioè non può avvenire senza richiedere energia, le reazioni si arrestano, la stella inizia un collasso gravitazionale non più bilanciato dalla pressione del gas, ed esplode in una supernova. Gli elementi più pesanti del ferro si formano durante questo tipo di evento, tramite la cattura neutronica, nella quale un flusso di neutroni prodotto dall’esplosione impatta sui nuclei, generando gli elementi mancanti.

Elementi e molecole di importanza biologica

Gli elementi chimici principali che sono alla base della vita, così come la conosciamo, sono il fosforo, l’ossigeno, l’azoto, il carbonio e l’idrogeno, noti sotto l’acronimo PONCH. Un ruolo importante è svolto anche dallo Zolfo, come fonte di processi energetici di alcuni processi biologici. Tra questi elementi il carbonio è il più importante e interessante per la vita. Nessun elemento chimico è in grado di formare tanti composti quanti il carbonio, non solo per il numero ma anche per la varietà.

Una proprietà chimica del carbonio è la possibilità di formare legami covalenti mettendo a disposizione i quattro elettroni di valenza, formando legami singoli, doppi o tripli. Un’altra proprietà importante è la capacità di formare catene carboniose di lunghezza variabile, con strutture lineari, ramificate o ad anello e contenendo legami doppi o anche tripli. Queste catene hanno una caratteristica importante, non si spezzano e non reagiscono facilmente. Inoltre, visto che i legami possono essere posizionati in modo molto vario, spesso si verifica che esistono molecole con lo stesso numero di atomi ma con strutture diverse e proprietà differenti. Tali molecole sono chiamate isomeri e ne sono un esempio il glucosio e il fruttosio.

Tra le molecole di grande importanza biologica formate dal carbonio ci sono i monosaccaridi. Queste molecole hanno una composizione e una struttura caratteristica: una catena carboniosa che contiene da tre a sette atomi di carbonio; un atomo di carbonio che porta il gruppo carbonilico (C=O); tutti gli altri atomi di carbonio che legano il gruppo ossidrilico (-OH). I monosaccaridi si differenziano tra loro in base al numero di atomi di carbonio e per la posizione del gruppo carbonilico. Si dicono chetoni i monosaccaridi che hanno il gruppo carbonilico al secondo posto della catena, aldeidi se si trova all’inizio.

RNA e DNA

I monosaccaridi si possono presentare in due forme: lineare o ad anello. La forma ad anello è più stabile nelle condizioni in cui vivono le cellule e quindi si incontra più frequentemente. Altri isomeri importanti si differenziano per il numero di atomi di carbonio. Gli esosi sono formati da sei atomi e il glucosio ne è un esempio. Se le catene sono formate da cinque atomi di carbonio sono detti pentosi; due di essi, il ribosio e il desossiribosio, formano l’impalcatura per gli acidi nucleici dell’RNA e del DNA. Gli zuccheri che si trovano in natura hanno una configurazione destrogira.

Un altro gruppo di molecole che svolge un ruolo fondamentale sono gli amminoacidi. Alla base delle proteine, gli amminoacidi sono composti da un gruppo amminico e da un gruppo carbossilico legati ad un atomo di carbonio α in configurazione levogira e da una catena laterale, detta gruppo radicale (gruppo R). Il gruppo R contiene importanti gruppi funzionali dai quali dipendono sia la struttura tridimensionale sia le specifiche proprietà chimiche dell’aminoacido. In natura si possono riconoscere una ventina di amminoacidi utilizzati per la sintesi proteica dalle cellule.

Altre biomolecole alla base della vita sono i lipidi. Esistono diverse classi di lipidi ma sono tutte accomunate dalla caratteristica di essere idrofobici. I grassi possono essere saturi, se presentano solo legami singoli tra atomi di carbonio, o insaturi, se contengono uno o più legami doppi (polinsaturi). Quando tre acidi grassi si legano a una molecola di glicerolo tramite un legame estere (C-O) si forma un trigliceride, che ha la funzione di deposito di energia. Quando uno degli acidi grassi viene sostituito da un composto formato da un gruppo fosfato si viene a formare un fosfolipide.

Altre classi di lipidi ed acidi nucleici

Nei fosfolipidi il gruppo funzionale fosfato presenta una carica negativa, perciò questa parte di molecola è idrofila. In ambiente acquoso i fosfolipidi tendono ad allinearsi in modo tale da rivolgere il gruppo fosfato, la “testa”, verso l’acqua, mentre le “code”, formate dai grassi, tendono a radunarsi l’una vicino all’altra formando così un doppio strato fosfolipidico. Le membrane biologiche hanno questo tipo di struttura. Altre classi di lipidi sono i carotenoidi, un pigmento responsabile dell’assorbimento della luce nelle piante, e gli steroidi, dei composti organici contraddistinti da uno scheletro ad anelli che hanno messo in comune alcuni atomi di carbonio e hanno funzioni strutturali, come ad esempio il colesterolo, oppure ormonali.

Infine, come gruppo di biomolecole essenziali, troviamo gli acidi nucleici. Essi sono polimeri specializzati nella conservazione, trasmissione e utilizzo dell’informazione genetica. Esistono due tipi di acidi nucleici per noi essenziali: il DNA (acido desossiribonucleico) e l’RNA (acido ribonucleico). I monomeri alla base della catena sono chiamati nucleotidi e sono formati da uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato e una base azotata. Queste ultime possono assumere due forme chimiche: una struttura ad anello semplice, chiamata pirimidina, o una a doppio anello chiamata purina. Le basi azotate costituenti il DNA sono Citosina e Timina, cioè purine, Guanina e Adenina, ovverosia pirimidine; lo zucchero è il desossiribosio. Contrariamente l’RNA possiede l’Uracile al posto della Timina e il Ribosio come zucchero, che ha un ossigeno in più rispetto al desossiribosio. I nucleotidi svolgono anche altri ruoli come ad esempio nell’ATP (adenintrifosfato), che agisce da trasportatore di energia in molte reazioni chimiche.