ASTROBIOLOGIA

1. ASTROBIOLOGIA UNO SGUARDO SULL’UNIVERSO ALLA RICERCA DELLA VITA

2. ARGOMENTI: • Pendolo fra il pensiero dei grandi del passato e le scoperte moderne • Formazione elementi Chimici necessari alla vita • Cenni di chimica organica

3. ...e quando miro in cielo arder le stelle dico fra me pensando: A che tante facelle? Che fa l’aria infinita e quel profondo infinito seren? Che vuol dire questa solitudine immensa? (Leopardi, Canto notturno di un pastore errante dell’Asia)

4. SIAMO SOLI NELL’UNIVERSO? IL PENSIERO DEI GRANDI DEL PASSATO

5. Democrito(460-390 a.C.) ed Epicuro(341-270 a. C.) credevano nell’esistenza di infiniti mondi su cui vivono creature, piante e altre cose che noi vediamo in questo mondo. (Epicuro: Lettera a Erodoto) Questi innumerevoli mondi erano sistemi separati non visti dagli umani, ognuno con la propria Terra, Sole, pianeti e stelle.

6. Il cardinale Nicola Cusano (1401-1464) nel suo libro “La dotta ignoranza” scrive: “Supporremmo che in ogni regione dell’universo ci siano abitanti differenti in natura per rango, aventi tutti la loro origine in Dio”.

7. Giordano Bruno (1548-1600) nei suoi libri: “La cena de le ceneri, De l’infinito universo e De immenso” riteneva che l’universo fosse infinito perché tale era il suo creatore e che questo spazio infinito brulicasse di mondi abitati.

8. Blaise Pascal(1623-62)nei suoi “Pensieri”scrive: “L’eterno silenzio di questi spazi infiniti mi atterrisce.”

9. Christiaan Huygens (1629-95) scrisse in latino il “Cosmotheoros”, il cui titolo fu tradotto “Mondi Celesti Scoperti: congetture riguardanti gli abitanti, le piante e le produzioni dei mondi nei pianeti”. In esso enunciava il principio che gli altri pianeti non sono inferiori in dignità al nostro e da questo principio deduceva che gli abitanti dei pianeti devono essere molto più avanzati di noi in astronomia.

10. Kant (1724-1804), illustre filosofo, pensava che: “La materia di cui sono formati gli abitanti dei diversi pianeti, e anche gli animali e le piante che si trovano su di essi, deve in generale essere tanto più sottile ... quanto maggiore è la distanza dei pianeti dal Sole.

11. Carl Friedrich Gauss (1777-1855) credeva in una pluralità di mondi abitati che includeva anche la Luna e Marte. Assieme a Johann Littrow, direttore dell’osservatorio di Vienna, studiò il metodo per comunicare ai Seleniti che la Terra era abitata da esseri intelligenti.

12. GAUSS E IL TEOREMA DI PITAGORA Per segnalare ad un eventuale extraterrestre la presenza di vita intelligente sul pianeta, Gauss propose di disegnare nella steppa siberiana la dimostrazione del teorema di Pitagora per mezzo del I teorema di Euclide. TUTTA LA COMUNITA’ SCIENTIFICA RITENEVA CHE LA GEOMETRIA POTESSE ESSERE COMPRESA IN MANIERA INEQUIVOCABILE DA OGNI ESSERE INTELLIGENTE.

13. VEDUTA DA SATELLITEDELL’ AUSTRALIA. LA PARTE IN ROSSO È RECINTATA.ANCHE I CONIGLI POTREBBERO ESSERE UTILI PER DISEGNARE UN GIGANTESCO TRIANGOLO RETTANGOLO

14. Planisfero di Marte disegnato da Schiaparelli nel 1878 23 settembre 2014 La ricerca di vita nell'universo 14

15. CAMILLE FLAMMARION “Che questo pianeta vicino sia effettivamente sede della vita è ciò che testimoniano tutte le osservazioni. Ma ci è ancora impossibile formarci qualche idea sulla forma che questa vita ha potuto rivestire. Un mistero impenetrabile avvolge ancor oggi questo problema appassionante che è in definitiva lo scopo di tutte le ricerche dell’astronomia planetaria. Ma non disperiamo! Chi sa che cosa sonnecchia nell’incognito dell’avvenire?” (C. Flammarion: Laplanète Mars et ses conditions d’habitabilité)

16. Fino al 1909, la maggior parte degli astronomi era convinta che Marte e Venere fossero abitati. Quell’anno EugeniosAntoniadi, osservando Marte con un telescopio più potente di quello di Schiaparelli, smentì l’esistenza di canali. E AlfredWallace trovò che Marte doveva aver una temperatura troppo bassa per ospitare la vita. 23 settembre 2014 La ricerca di vita nell'universo 16

17. CONDIZIONI FISICHE SUI PIANETI MercurioVenere Terra Marte T (°C) 500 490 15 -70 P (atm) 10 –15 90 1 0.007 Solo la Terra ha condizioni accettabili per l’uomo

18. NEL 1970 IL BIOLOGO E PREMIO NOBEL J. MONOD SCRISSE: L’UOMO SA DI ESSERE SOLO NELL’ARIDA IMMENSITA’ DELL’UNIVERSO, DA CUI EGLI È EMERSO PER PURO CASO

19. SIAMO SOLI NELL’UNIVERSO? • La risposta è stata: • NOfino a 100 anni fa; • SI’fino a 40 anni fa; • PROBABILMENTE NOdopo la scoperta di: • 1) Molecole organiche interstellari • 2) Estremofili • 3) Pianeti extrasolari • 4) C,H,O,N abbondanti

20. 1) MOLECOLE NELLO SPAZIO INTERSTELLARE Glicina: Grigio: carbonio Blu: azoto Rosso: ossigeno Bianco: idrogeno Più di 172 molecole, anche di 13 atomi, sono state scoperte nelle nubi interstellari e nelle comete. Un’attiva ricerca durata 4 anni, ha permesso di individuare, nelle nubi interstellari, anche il più semplice amminoacido, la glicina.

21. 2) ESTREMOFILI 23 settembre 2014 La ricerca di vita nell'universo 21 La vita prolifera anche in condizioni estremedi temperatura, pressione acidità simili a quelle che troviamo su Marte, Europa, Titano

22. Gli estremofili non solo tollerano, ma possono “amare” gli ambienti estremi Questa slide e le 3 seguenti sono prese dalla conferenza: “Astropaleontogia e ricerca della vita nel Sistema Solare” tenuta da R. Barbieri del Dipart. Di Scienze della Terra , Univ. Bologna

23. Quali sono gli ambienti estremi? • - Sorgenti idrotermali nei mari e geysers in superficie. • Profondità marine abissali • - Deserti caldi e deserti freddi • - Ghiaccio, neve, permafrost • - Ambienti sovrasalati ed evaporitici • - Atmosfera

24. Deserto freddo, Antartide

25. Valle de la Muerte (Atacama)

26. Il rio Tinto in Andalusia, rosso per sali ferrici, ha un pH = 2.3 Cortesia di Ricardo Amil dell’Istituto di Astrobiologia di Madrid

27. VITA NEI SISTEMI IDROTERMALI Sulle dorsali oceaniche, in un ambiente tossico per gli altri organismi marini, si sono formate delle comunità ricche di circa 500 specie viventi. Una di queste è il verme Pompei (Alvinella pompejana) che mantiene la testa a 22 °C e la coda a 80 °C.

28. VITA SENZA SOLE Sorgenti termali sottomarine Pesce, granchio bianco e vermi tubolari Stelle di Mare nel Bacino Lau Oceano Pacifico meridionale .

29. Un batterio molto resistente Tra i batteri conosciuti, il più resistente alle radiazioni ionizzanti ed al disseccamento è il Deinococcus radiodurans, che è in grado di riparare autonomamente il suo genoma in 24 ore, grazie alle 4-8 copie di cui dispone. Prolifera anche nel core dei reattori nucleari.

30. 3) PIANETI EXTRASOLARI Il pianeta possiede massa elevata, pari ad almeno la metà di quella di Giove. 51 Pegasi: • Primo esopianeta scoperto nel 1995. • Utilizzo di spettrografi ad alta risoluzione di velocità radiali. • Periodo orbitale di 4.23 giorni.

31. 4) Nell’ universo gli elementi necessari alla vita sono fra i più abbondanti Elementoatomi per 106 di Hfraz. di massa Idrogeno: 106 0,7383 Elio: 85114 0,2495 Ossigeno: 457 0,0054 Carbonio: 245 0,0022 Neon: 69 0,0010 Azoto: 60 0,0006 Ferro: 28 0,0011 23 settembre 2014 La ricerca di vita nell'universo 31

32. Nella galassia spirale di Andromeda ci sono 300 miliardi di stelle 23 settembre 2014 La ricerca di vita nell'universo 32

33. OGNI PUNTINO E’ UNA GALASSIA DI 100 MILIARDI DI STELLE

34. IL COSMOLOGO AUSTRALIANO PAUL DAVIS HA DEFINITO L’UNIVERSO BIO-FRIENDLY

35. Un’avventura cosmica Siamo alla ricerca di altri sistemi solari e ci domandiamo se esistano altre forme di vita nell’Universo. L’astrofisica e le altre scienze fisiche e biologiche interagiranno sempre di più, permettendo scoperte che cambieranno la stessa umanità, destinata ad un’avventura cosmica, che va oltre la nostra piccola culla terrestre. (Margherita Hack: “Una vita tra le stelle“ Ed. Di Renzo, Roma 2003)

36. ORIGINE ELEMENTI CHIMICI NECESSARI ALLA VITA LA CHIMICA DEL CARBONIO

37. Gli elementi indispensabili alla vita sono: • Il Carbonio C • L’idrogeno H • L’ossigeno O • L’azoto N • Molto importanti sono anche: • Il Fosforo P • Lo Zolfo S

38. Come si formano gli elementi chimici fu compreso dopo la fine della seconda guerra mondiale. Nel libro “Structure and Evolution of the stars” Ed. Princeton Univ. Press 1958, M. Schwarzschild scrive: “Our knowledge of thermonuclear reactions in the stellar interiors is still fascinatingly surrounded by the thrill of the new” “La nostra conoscenza delle reazioni termonucleari che avvengono all’interno delle stelle è ancora avvolta in modo affascinante dal brivido del nuovo”

39. Gli elementi al Big Bang ElementoMassa % H76 He4 24 H2 0.02 He3 2*10-3 Li7 1.6*10-8

40. Nel Big Bang si sono formati l’idrogeno e l’elio 3 atomi di elio carbonio carbonio + 2 atomi di idrogeno azoto + e+ + ν carbonio + elio ossigeno neon + neon fosforo + 2 atomi elio + idrog. ossigeno + ossigeno zolfo fosforo

41. REAZIONI NUCLEARI FONDAMENTALI CATENE PROTONE-PROTONE - FUSIONE DELL’IDROGENO H1 + H1 H2 + e+ + ν H2 + H1 He3 + γ PPI 69% 31% He3 + He3 He4 + 2H1 He3 + He3 Be7 + γ PPII 99.7% PPIII 0.3% Be7 + e- Li7 + ν Li7 + H1 2He4 + γ Be7 + H1 B8 + γ B8 Be8 + e++ γ Be8 2He4 + γ

42. CICLO CNO C12 + H1 N13 + γ N13 C13 + e++ ν C13 + H1 N14 + γ N14 + H1 O15 + γ O15 N15 + e+ + ν N15 + H1 C12 + He4 PROCESSO 3ά - BRUCIAMENTO DELL’ELIO He4 + He4 + He4 C12 + γ

43. Abbondanza degli elementi nella atmosfera solare • Elementoatomi per 106di Hfraz. di massa • Idrogeno: 106 0,7383 • Elio: 85.114 0,2495 • Ossigeno: 457 0,0054 • Carbonio: 245 0,0022 • Neon: 69 0,0010 • Azoto: 60 0,0006 • Ferro: 28 0,0011

44. ORIGINALITA’ DEL CARBONIO • Gli atomi di C si possono unire fra loro formando catene lineari o ramificate o chiuse ad anello con una grande varietà di strutture. • I composti del C giocano un ruolo fondamentale nella costituzione e nei processi biologici di tutti gli organismi viventi conosciuti. • I composti del C sono 100 volte più numerosi di quelli di tutti gli altri elementi chimici messi insieme. • Catene lineari simili a quelle del C possono essere formate anche dal Si, subito sotto al C nella Tavola di Mendeleev.

45. TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

46. IDROCARBURI ALIFATICI • ALCHENI: Cn H2n • Idrocarburi con doppi legami C=C; • Alta reattività; • Il più semplice è l’etene (CH2 = CH2) o etilene{ormone vegetale capace di favorire la maturazione della frutta} • ALCHINI: Cn H(2n-2) • Idrocarburi con triplo legame C ≡ C; • Acidità degli H legati ai C coinvolti nel triplo legame: tale acidità dà produzione di sali, “carburi” (ex. Carburo di calcio CaC2); • Il più semplice è l’etino, o acetilene (HC ≡ CH) • ALCANI: Cn H(2n+2) • PARAFFINE scarsa reattività; • SATURI: posseggono il max num • di atomi di H possibile; • Gli atomi di C sono uniti con • legami covalenti semplici, mentre • gli H si legano ai siti di legame • degli atomi di C rimasti liberi; • Il più semplice è il metano (CH4):

47. IDROCARBURI AROMATICI • Composti che contengono uno o più anelli nella loro struttura; • L’aromaticità è definita come l’abbassamento di energia dello stato fondamentale della molecola; • Esempio: BENZENE (C6H6): struttura planare con 6 atomi di C disposti ai vertici di un esagono regolare e contenente 3 doppi legami; • Tutti i suoi legami C-C hanno la stessa lunghezza, intermedia fra quella di un legame semplice e quella di un legame doppio (1.39 Å); • In Astrobiologia sono molto importanti gli idrocarburi policiclici aromatici.

48. STRUTTURA GENERICA DEGLI AMMINOACIDI R rappresenta il “gruppo specifico” di ogni amminoacido. In funzione delle proprietà chimiche di tale gruppo, un amminoacido è classificato come acido, basico, idrofilo (polare), idrofobo (apolare). COOH | H – C - R | NH2 In natura si conoscono più di 100 amminoacidi, ma gli organismi viventi ne contengono solo 20. Tutti e 20 sono necessari per la sintesi proteica, ma l’organismo umano è in grado di sintetizzarne solo 10. I restanti 10 vengono definiti amminoacidi essenziali, poiché devono necessariamente essere assunti con l’alimentazione.

49. REAZIONE POLIPETIDICA DEGLIAMMINOACIDI Molecole che nella loro struttura presentano un gruppo amminico (-NH2) e un gruppo carbossilico (-COOH). Per eliminazione di una molecola d’acqua il gruppo amminico può legarsi al gruppo carbossilico di un altro amminoacido: H2 N-CH-COOH + H2 N-CH-COOH H2 N-CH-CO-NH-CH-COOH + H2 O | | | | R R’ R R’ • Una catena formata da non più di 50 amminoacidi legati attraverso legami peptidici prende il nome di polipeptide, da 50 amminoacidi in su si parla di PROTEINA; • La stragrande maggioranza delle proteine sintetizzate da organismi viventi è formata da amminoacidi levogiri; • Gli amminoacidi che compaiono nelle proteine di tutti gli organismi viventi sono 20 e l’informazione del tipo e della posizione di un amminoacido in una proteina è codificata nel DNA;

50. PROTEINE Costituenti fondamentali di tutte le cellule animali e vegetali. Polimeri o macromolecole costituite da una combinazione dei 20 amminoacidi spesso in associazione con altre molecole e/o ioni metallici. Globulari: svolgono funzioni biologiche (es: enzimi, anticorpi, alcuni ormoni); 2 FAMIGLIE: Fibrose: svolgono funzioni meccaniche. Utilizzate nei materiali di struttura come i tendini, le unghia, i peli, … • In base alla loro funzione si dividono in: • Strutturali: sono componenti delle strutture permanenti dell’organismo ed hanno principalmente una funzione meccanica; • di trasporto: si legano a sostanze poco idrosolubili e ne consentono il trasporto nei liquidi corporei (es: l’emoglobina); • Immunoglobuline: (anticorpi) proteine che si legano a molecole normalmente non presenti nell’organismo concorrendo alla difesa dello stesso; • Enzimi: proteine catalitiche.