<<LO SCRIGNO OSCURO DELLA VITA>>

Riflessioni sul ruolo chimico-biologico della materia nera interstellare e sulla comparsa della vita nell’universo

Nota del socio ord. non res. Bruno J.R. Nicolaus e del socio ord. res. Rodolfo A. Nicolaus

Atti della Accademia Pontaniana, Napoli, XLVIII (1999), pp. 355-380

SUMMARY

Simple organic molecules have been already identified in the grains of interstellar clouds.

According to our view, heterocyclic polymers must be present in space, also. Their synthesis is assumed to occur during particular evolutionary starstages. Analogously the presence of acetylenblack (-CºC-)n in space is predicted.

A triple role has been assigned to these black materials. Namely as:

-          supporting structures of interstellar grains through mechanical, electrical and optical properties (transfer of charges, diffraction and absorption of radiations, transformation of light into current);

-          accumulators of chemical energy;

-          spacial storehouses of C, H, N (from which oxygenated and/or nitrogenated simple molecular fragments, “biogenetic bricks”, shall be built).

They can be considered in fact solid “compact parcels” of C, H, N, and allow simultaneous transport of these key elements avoiding losses (oxygen, the fourth key element, is shipped as frozen water H2O).

These polycyclic blacks are splitted by photolysis into smaller fragments (similar reactions occur on earth by laser beam and other radiation). These fragments are recombined in grains with oxygen radicals, obtained from frozen H2O. Oxygenated and/or nitrogenated biomonomers are formed accordingly (being equal or similar to those already known on our planet).

The properties of prebiotic, biotic and spacial black matter are compared and discussed. Special reference is given to conductivity, graphitic-fullerenic structure, surface and interstitial properties. Consequently, the hypothesis is worked out and supported, that prebiotic melanins have been instrumental during the process of self assembling primigenous organic molecules, acting as enzymatic prototypes.

The organic black matter in the interstellar clouds is supposed to protect organic material from cosmic rays and to regulate the ion/radical/molecule balance.

The very nature of black particles is manyfold: from one side they are instrumental in assembling atoms and molecules, from the other in generating new molecular species by self destruction.

A unique architectonic principle appears to act organizing living and interstellar matter: the cosmic tensegrity.

1)      PREFAZIONE

Negli spazi interstellari vi è della materia solida nera.

Associate al materiale nero si ritrovano numerose molecole organiche azotate, solforate ed ossigenate conosciute sulla terra: esse sono di diverso tipo e complessità e quasi sempre sotto forma radicalica e/o ionica, stabilizzate dal particolare ambiente interstellare. E’ verosimile pensare, che questa miscela di molecole organiche tragga origine dalle particelle nere.

Dalla composizione del materiale di degradazione si può desumere che il materiale nero sia composto da carbone, carbone policiclico (grafite, fullereni) e da carbone polieterociclico (N, S, O).

Quasi tutti i materiali neri terrestri (carbone, grafite, melanine) così diffusi in natura ed i neri di sintesi (eterocicli policondensati) sono sensibili a diversi agenti fisici (Fab, Laser, Pirolisi, ecc.): sotto la loro azione essi esplodono frantumandosi in frammenti più piccoli. E’ verosimile che questo comportamento chimico terrestre trovi riscontro in quello del materiale nero interstellare. Le molecole organiche traggono quindi origine dalla fotolisi esplosiva della particella nera interstellare[1]

*  *  *

2)      “NATURA ENIM SIMPLEX EST” (NEWTON)

Durante gli ultimi cinquantanni, la visione dell’universo ha subito cambiamenti più che drastici.

Da Tolomeo e dagli antichi egizi avevamo ereditato il quadro rassicurante di un mondo placido, bucolico, con al centro una terra tranquilla, baciata dal sole e venerata dagli altri pianeti.

Copernico ci ha brutalmente risvegliato da questa visione idilliaca durata millenni e la terra è stata di colpo costretta a correre a perdifiato attorno al sole e con esso su e giù per l’universo.

Oggi abbiamo compiuto un salto ulteriore verso un cosmo nevrotico, verso un universo che tende alla dispersione infinita, frutto improvviso di una catastrofe immane dal nome mostruoso: Big Bang[2].

Al di là della provinciale via Lattea, che avevamo scambiato per espressione immutevole dell’ordine eterno, si susseguon apocalittici drammi: esplosioni stellari, collisioni di astri e comete, scontri tra gigantesche galassie. Il sole e le stelle, le sfere perfette che accompagnaron fiduciosi mercanti e naviganti durante millenni, son oggi bombe all’idrogeno, pazienti ma dall’esito certo: prima o poi finiranno come son nate, nella catastrofe. La paura dell’apocalisse ha ceduto il passo alla matematica, fredda, razionale certezza dell’inevitabile fine: la divina provvidenza ha fatto fagotto, la speranza è morta, sepolta. Le galassie nascono e muoion come animali preistorici, come dinosauri del cosmo. L’universo, una volta solo ordine e pace, ribolle si agita si dibatte tra gli spasimi della genesi e le convulsioni dell’agonia. Il profondo del cielo tinto di azzurro, nel quale avevam trasferito l’olimpo è oggi teatro di novae, supernovae e delle loro esplosioni. Particelle elementari impazzite, quark atomi ioni e molecole senza fissa dimora si alternano a tempeste di raggi mortali. Condensazione di energia in materia e viceversa annichilimento della stessa materia sono all’ordine del giorno. Lampi di luce mortale balenan tra dense nubi di materia oscura, di gas e polvere cosmica che offuscan la vista: queste nubi prima o poi collasseranno, dando vita a stelle e pianeti. (Fig. 1).

Questo quadro allucinante non è frutto di una mente malata: esso fu concepito poco alla volta sui recenti progressi di astro-chimica e fisica, assieme alle tecnologie dei nuovi vettori spaziali. La spettroscopia, già ampiamente impiegata per studiare la struttura fine della materia e la radioastronomia[3] abituata a scrutare gli spazi, han dimostrato che lo spazio interstellare vuoto non è: contiene alla rinfusa complesse molecole, inorganiche e organiche. Risultati eclatanti son stati raggiunti grazie a recenti misurazioni effettuate oltre l’atmosfera terrestre, filtro provvidenziale delle radiazioni spaziali.

Così oggi finalmente sappiamo che a milioni di anni luce da noi, si ritrovan tanti dei composti necessari alla sintesi di macromolecole come proteine e peptidi. Prodotti che giocheranno un ruolo di tutto rilievo nella comparsa della vita.

Oggi sappiamo anche, che questi “mattoni biologici” esistevan nello spazio già prima del nostro sistema solare e del nostro pianeta.

Quindi, la vita approdò sulla terra venendo da lidi lontani, oppure si sviluppò su terra ed altri pianeti ospitali, partendo dagli stessi “mattoni”.

Resta aperto il discorso su come e dove sorse la vita.

A questo quesito, che ha sapore di antico, proporremo più avanti una nuova risposta, anche se noi cenere e polvere di stelle restiamo[4].

3)      DALLA SPAZZATURA SPAZIALE ALLA TENSEGRITA’

Lo spazio non è vuoto, come credevan gli antichi, ammirando nelle notti stellate il profondo del cielo. Lo spazio è occupato da materia, seppur rarefatta e distribuita in modo non uniforme tra stelle pianeti e galassie.

La materia interstellare[5] della nostra galassia e forse dell’intero universo è composta da idrogeno (70%) ed elio (28%) allo stato gassoso. Solo una piccolissima parte (2%) è formata da particelle solide piccolissime, chiamate polvere cosmica o grani interstellari. Tra questi son stati identificati elementi pesanti come O, C, N, Ni, S, Al, Fe ed anche svariate molecole inorganiche e organiche.

Un ruolo importante nell’evoluzione della materia interstellare vien svolta dai grani, responsabili di assorbimento e diffrazione delle radiazioni, collisioni grano/grano, adsorbimento di varie sostanze in superficie e conduzione elettrica. Questa ultima proprietà permette di trasferire cariche elettriche all’interno delle nubi molecolari, regolando le interazioni ione/molecola, fonti a loro volta di ulteriori reazioni. Grazie alle loro proprietà ottiche, i grani svolgono anche un ruolo di filtro: essi proteggono le molecole organiche dall’azione demolitrice di radiazioni elettromagnetiche e corpuscoli vari.

I grani sono amorfi ed eterogenei. Secondo analisi spettroscopiche, essi risultan formati da: ossidi del silicio, ghiaccio d’acqua H2O, ghiaccio d’ammoniaca NH3, ghiacci misti di H2O + NH3, varie forme allotropiche del carbonio (fuliggine, grafite, fullereni), poliareni (idrocarburi policiclici aromatici), carburo di silicio ed ossidi metallici.

Tra tutti questi prodotti, i più interessanti per noi son certamente quelli carboniosi, dai quali prima o poi prese forma la vita. I grani son soggetti ad accrescimento e riduzione: si direbbe che essi vivano una loro vita inorganica, ma organizzata. La loro dimensione aumenta nelle nubi dense, per reazione chimica con specie gassose adsorbite in superficie (H2O, NH3, CH3OH, CO, ecc.). La diminuzione della dimensione avviene invece per aumento della temperatura del mantello, irradiazione di raggi cosmici, collisioni grano-grano, avvicinamento ad una stella appena formata. La superficie dei grani rappresenta una valida sede di sintesi attraverso fotoframmentazioni ed associazioni fra atomi e radicali.

Le reazioni chimiche in fase gassosa sono invece svantaggiate a causa dell’alta rarefazione dei componenti e della bassa temperatura che rende improbabili le interazioni binarie e ternarie tra molecole neutre. Le reazioni sulla superficie dei grani diventan quindi una necessaria alternativa per la chimica spaziale.

Il materiale carbonioso delle nubi deriva da fusioni nucleari all’interno di stelle giganti. Possiamo immaginare, come queste “fornaci” abbian prodotto da idrogeno  ed elio anche carbonio ossigeno e azoto, dei quali siam fatti, eruttando nel gelido spazio fumi roventi.[6]

Questi convergevano poi nelle nubi interstellari, dove venivan demoliti e ricombinati chimicamente fino a costruire molecole biogene.

La nostra culla sembra sia proprio in queste nuvole sterminate, nei grani: veri piccoli laboratori spaziali. Gli organismi viventi son composti da quattro elementi chiave C, H, O, N, mentre vari altri sono presenti in piccole quantità S, P, Fe o tracce. La comparsa delle prime forme di vita, anche se ancora semplici e primitive, presuppone che questi quattro elementi si siano incontrati già molto prima nel luogo e momento giusti.

 Oggi si pensa che questo incontro a quattro, evento possibile seppur improbabile, sia avvenuto nei grani interstellari, dove carbonio ed idrogeno sian stati forniti da fotolisi dei PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons), l’ossigeno da quella dell’acqua ghiacciata e l’azoto dal ghiaccio di ammoniaca anche presente.

PAH, H2O ed NH3 sarebbero così i tre ingredienti, dai quali derivan le prime molecole organiche, alla base di ogni ulteriore reazione.

Non sono stati invece identificati nello spazio finora e neppur menzionati come probabile fonte simultanea di molecole organiche, i neri eterociclici, sui quali ritorneremo fra poco.

Tra i vari prodotti carboniosi, son state identificate per via radioastronomica alcune specie alifatiche insature, degne di particolare attenzione: i cianopoliini[7].

HCnN

                   HC º C – C º N                                                       HC3N

                   HC º C –  C º C – C º N                                         HC5N

                   HC º C – C º C – C º C – C º N                             HC7N

                   HC º C – C º C – C º C – C º C – C º N                HC9N

                   HC º C – C º C – C º C – C º C – C º C – C º N   HC11N

                     Figura 2: Cianopoliini determinati nello spazio interstellare

Il fatto che specie talmente reattive sulla terra possan sopravvivere nello spazio esorprendente, ma può venir compreso considerando temperatura, rarefazione e fotoprotezione esercitata dai grani e dalle particelle nere.

I cianopoliini son omologhi lineari dell’acetilene CH º CH addizionati di un radicale nitrilico - C º N. Il loro ritrovamento nello spazio trova riscontro nella presenza di acetilene ed acido cianidrico HCN liberi. Questi composti molto reattivi posson ciclizzare in determinate condizioni formando eterocicli azotati e da questi i loro polimeri neri.

L’acetilene di per sé può polimerizzare in laboratorio, dando luogo a catene lineari (nero di acetilene) o prodotti ciclici (aromeri, oligomeri aromatici del benzolo): prodotti variamente colorati, dotati di conduttività elettrica[8] Fig. 3.

Gli aromeri (C6N4)n non sono molto diffusi sulla terra a causa della loro scarsa stabilità: durante il processo di formazione degli idrocarburi policiclici, vien preferita infatti quella a struttura non lineare. A questo riguardo và notato, come nella serie degli aromeri, il carattere aromatico diminuisca con l’aumentare del peso molecolare, mentre aumentano proprietà olefiniche ed instabilità: non è stato possibile, ad esempio, isolare il termine Eptacene allo stato puro. Prototipo dei polimeri organici neri può venir considerato il  nero di   acetilene   (- C º C - )n, formato da una catena alifatica lineare e dotato di ottima conduttività elettrica. L’acetilene si forma facilmente da idrogeno e carbonio ad alta temperatura ed è presente nello spazio. Sembra quindi verosimile, che nelle nubi si trovi anche del nero di acetilene, suo prodotto di trasformazione diretta. Questo polimero nero potrebbe giocare un ruolo di rilievo nel trasferimento di cariche elettriche nelle nubi, contribuendo a causarne il colore scuro. Esso rappresenta anche un magazzino potenziale di carbonio, dal quale ricavare per fotolisi frammenti per la sintesi di molecole biogene.

CH º CH - - - - - ->  (- C º C - )n

                                                            Acetilene                 nero di acetilene

                                                                PAH

                                                              (Polycyclic aromatic  

       Benzene                                          hydrocarbons)

                                                              (Idrocarburi aromatici

                                                              Policondensati)

                                                    n        Pirene, coronene

                     Oligomeri Aromatici          

                     Del Benzolo (aromeri)                                                  Fullereni, grafite,

                     TETRACENE  (arancione)                                          fuliggine

                     PENTACENE  (blù)

                     EXACENE       (verde)

       Figura 3: Idrocarburi aromatici policondensati

La combustione di acetilene ed altri prodotti è stata ampiamente studiata in laboratorio[9], confermando che in queste condizioni si ha formazione di specie aromatiche policondensate fullereni e fuliggine. E’ quindi verosimile che, nelle condizioni estreme del “laboratorio stellare”, si formino simili materiali policondensati. I poliareni, derivati da combustione, son molto diffusi sulla terra[10],[11] ma fortunatamente a basse concentrazioni (cancerogeni)[12].

E’ stato stimato che il 2% del carbonio presente nelle nubi interstellari sia sotto forma di poliareni[13], i quali rappresentano le molecole organiche prevalenti nell’universo[14].

Queste stime potrebbero venir ridimensionate, se sarà confermata la presenza nello spazio dei polimeri neri azotati.

Al contrario degli aromeri, i PAH sono poco reattivi ed hanno punti di fusione molto elevati (si racconta che il capillare di vetro spesso fonda prima del prodotto, durante la determinazione del punto di fusione). Essi appartengono a sistemi ciclici complessi ed il numero dei composti possibili è veramente enorme. Le proprietà chimico-fisiche e biologiche, come pure stabilità e reattività, variano secondo la disposizione sterica degli anelli ed il grado di alchilazione.

Sia i poliareni che gli aromeri son polimeri virtuali dell’acetilene ed è verosimile che si sian formati nelle stelle giganti per dimerizzazione di dieni e policondensazione di derivati acetilenici. Tra l’altro sulla terra, essi si ritrovano nei catrami della distillazione del carbone e nei residui della raffinazione del petrolio[15]. In queste fonti si accompagnano agli analoghi policiclici con uno o più atomi di azoto, ossigeno o zolfo. Nelle sintesi stellari e terrestri, la preferenza verso un composto piuttosto che un altro vien determinata da parametri termodinamici e non solo dal caso. Una ridda di composti altamente reattivi (radicali metinici HCº; metilenici H2C=; acetilene HCºCH; dieni CH2=CH-CH=CH2; etilene CH2=CH2; ecc.) in competizione tra loro, riporta la chimica ai primissimi albori, quando eran di norma reazioni prebiotiche sotto l’influsso di altissime temperature, radiazioni potenti ed assenza di ossigeno. Tra le tante strutture possibili ed in accordo con le misurazioni radioastronomiche, sono state proposte per i PAH interstellari, quelle più stabili (e più aromatiche) e con maggior probabilità di sopravvivenza nelle rigide condizioni spaziali Fig. 4.

I poliareni son sensibili a luce ed ossigeno. Sotto l’azione combinata di questi due agenti, essi forman nell’atmosfera terrestre prodotti ossigenati, altamente mutageni (p.e. benzopirene). Con molecole organiche e sali, essi posson formare complessi a trasferimento di carica (charge-transfer complexes): questi son ottimi conduttori dell’elettricità e potrebbero catalizzare svariate reazioni nelle nubi interstellari.

 Da quanto descritto si ricava il quadro di uno spazio “affollato” da varie molecole organiche. E’ stato inoltre ipotizzato, che molte fotoreazioni avvengan nei grani, formando composti alifatici ossigenati (aldeidi, alcooli, acidi, ecc.): prodotti chiave per la sintesi ulteriore di biomonomeri e polimeri[16].

Scarso rilievo hanno avuto invece finora, salvo poche eccezioni (NH3, HCN, Cianopoliini, ecc,), i prodotti azotati, nonostante che essi rappresentino uno dei capitoli principali nella chimica delle forme viventi (proteine, polipeptidi, alcaloidi, ecc.). Considerato che la maggior parte dei biomonomeri ha origini indubbiamente spaziali, sembrerebbe logico ritrovar nello spazio anche le radici di quelli azotati.

Rivolgeremo quindi la nostra attenzione a questo capitolo, cercando di trovar risposta ai tre quesiti fondamentali:

1.       Esiste un presupposto scientifico valido, alla presenza nello spazio di prodotti organici azotati?

2.       In qual forma è verosimile che si ritrovino nello spazio?

3.       Qual relazione c’è tra quelli cosmici e quelli terrestri?

*   *    *

Tutti gli elementi chimici si son formati all’interno di stelle giganti, per fusione nucleare a partir da idrogeno ed elio.

Carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto C, H, O, N sono i quattro elementi chiave degli organismi viventi: “affinché vita nascesse” essi si devon esser trovati vicini ed in forma appropriata[17].

Le stelle carbonacee durante l’ultimo stadio di evoluzione, son ricche di C, H, N. E’ facile immaginare come, in queste condizioni da acetilene ed azoto, si sian formati svariati eterocicli azotati (pirrolo, indolo, piridina, chinolina, isochinolina, ecc). In analogia, da acetilene, ed ossigeno o zolfo nascevano eterocicli ossigenati o solforati (furano, benzofurano, tiofene, benzotiofene, ecc.)

Le possibilità di reazione tra il carbonio ed altri elementi semplici come idrogeno, solfo, ossigeno ed azoto son state ampliamente studiate ed appartengon oramai al repertorio della chimica classica.

L’acido cianidrico HCN, ottenuto allo stato puro da Gay Lussac nel 1811, può venir sintetizzato dagli elementi , facendo scorrere una miscela gassosa di idrogeno ed azoto attraverso un arco voltaico con elettrodi di carbone ad alta temperatura (1800°C): condizioni drastiche che forse ricordano quelle stellari.

Facendo passare acetilene C2H2 attraverso tubi di vetro rovente, Berthelot dimostrò la formazione di benzolo C6H6 ottenuto per trimerizzazione e ciclizzazione.

Se si fa passare una corrente di acetilene, riscaldata ad almeno 300°C, sopra della pirite, si può isolare in ottima resta il tiofene H4C4S (Steinkopf).

In maniera del tutto analoga, usando ossido di ferro come catalizzatore e donatore di ossigeno, dall’acetilene si forma il furano H4C4O.

In opportune condizioni (alta temperatura, metalli, azoto) acetilene e butadiene ciclizzano dando luogo al pirrolo H5C4N, che rappresenta un importante componente di svariati prodotti vegetali e animali come polipeptidi e proteine, emoglobina, clorofilla, nicotina, atropina, cocaina e tanti altri.

Possiamo rispondere così affermativamente al primo quesito del precedente capitolo: sul piano teorico, sembra verosimile che prodotti organici azotati ed in particolare eterocicli azotati (anche solforati ed ossigenati) si formino nel corso di reazioni chimiche stellari e vengano eruttati nello spazio siderale.

*  *  *

Gli eterocicli azotati semplici come il pirrolo e l’indolo, come pure i loro isosteri solforati od ossigenati (tiofene, furano) ed i loro derivati tendono a polimerizzare. Questo fenomeno si accentua in presenza di determinati catalizzatori ed è molto favorito dalla temperatura e dalla luce. La polimerizzazione porta a materiali amorfi, neri, buoni conduttori dell’elettricità e caratterizzati da una struttura di tipo grafitico[18] o fullerenico gigante.

E’ quindi verosimile che eterocicli semplici, una volta formatisi nelle stelle, subito si trasformino nei corrispondenti polimeri neri (polyclyclic heterocyclic blacks), e come tali vengano riversati nello spazio, (Fig. 5).

La grafite, quale forma allotropica del carbonio, è un prodotto stabile, seppur molto sensibile all’azione dei raggi laser. Questi riescono a far esplodere la sua struttura, formando frammenti più piccoli con la caratteristica conformazione a gabbia dei fullereni (per assumere questa nuova forma chiusa, il piano della struttura aperta della grafite, formato da un reticolo di esagoni paralleli, si curva restringendo un certo numero di esagoni in pentagoni).

Nello spazio interstellare, la grafite ed i polimeri neri (nero di indolo, nero di pirrolo, nero di acetilene, ecc.) vengon sottoposti al bombardamento di radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari ad altissima energia, in grado di demolirli in frammenti più piccoli. In analogia con quanto succede sulla terra, è verosimile che essi vengano trasformati anche in frammenti a struttura fullerenico - grafitica azotata. In questi, i pentagoni necessari per la chiusura della gabbia, son rappresentati da anelli pirrolici, isosteri del ciclopentano.

La sostituzione di alcuni atomi di carbonio con atomi di azoto in un modello molecolare computerizzato di C60 conduce alla formazione di un fullerene azotato C53N7 in cui sono presenti unità chinoliniche. L’ottimizzazione geometrica effettuata al calcolatore non ha prodotto deformazioni nella struttura iniziale di tipo soccer-ball. Il modello mostra come sia possibile una struttura fullerenica gigante per i neri sintetici e naturali. Per i fullereni giganti si prevedono spettri di diffrazione dei raggi X simili a quelli previsti per strutture grafitiche. Riteniamo pertanto verosimile, che nello spazio si trovino pigmenti neri e loro frammenti da fotodemolizione. Questa conclusione risponde al secondo quesito che ci eravamo posti nel precedente capitolo. I polimeri neri sono ottimi conduttori dell’elettricità, proprietà importante secondo gli astrofisici per l’evoluzione delle nubi molecolari, il cui colore scuro potrebbe essere anche causato dalla presenza di questi pigmenti (oltre cha da nero di acetilene, grafite, fullereni ecc.).

La verifica sperimentale di questa affermazione potrebbe essere possibile a scadenza relativamente breve, (primo decennio del 2000) quando si riuscirà a metter le mani su campioni di materia interstellare[19].

Nel frattempo, varrebbe la pena di verificare le proprietà spettroscopiche dei pigmenti neri di laboratorio, confrontandole con quanto finora raccolto radioastronomicamente.

Nello spazio è stata dimostrata inoltre la presenza di molecole azotate dalla formula bruta HCnN, alle quali è stata attribuita una struttura cianopolinica.

E’ interessante notare come queste stesse formule brute corrispondano ad alcuni pigmenti neri, derivati da policondensazione di eterocicli (nero di piridina HC5N, nero di chinolina ed isochinolina HC9N).

A questo punto, è possibile tirare un’ulteriore conclusione, affermando che nello spazio (oltre ai ben noti poliareni, grafite, fuliggine ed aromeri) si trovino verosimilmente anche:

-          nero di acetilene

-          neri di eterocicli policiclici, (nero di pirrolo, indolo, piridina, chinolina, isochinolina, ecc.)

-          frammenti azotati e non, derivanti da fotodemolizione di eterocicli policiclici

Molti di questi materiali eterociclici formano complessi a trasferimento di carica, in grado di spostar cariche elettriche verso l’interno di nubi molecolari e viceversa e di catalizzare ulteriori reazioni chimiche.

Questi materiali son tutti neri (nero di acetilene, pirrolo, indolo, piridina, ecc.): ciò contribuisce a spiegare il colore scuro delle nubi interstellari.

I polimeri neri possono venir considerati dei moduli compatti, con i quali è possibile trasportare simultaneamente nello spazio miscele ternarie a base di carbonio, idrogeno e azoto. Da questi moduli è possibile ricavare, nel luogo ed al momento giusto, per fotodissociazione e ricombinazione, molecole organiche semplici azotate e/o ossigenate, identiche a quelle che compongono gli organismi viventi. (Fig. 6).

*   *   *

I grani interstellari son composti, secondo vari ricercatori, da un nucleo di ossidi di silicio ricoperto da un mantello di ghiaccio H2O e NH3. Intrappolati in questa calotta, si trovan poliareni ed altre molecole semplici. Come già menzionato, nei grani si devon trovare, secondo noi, anche altri materiali carboniosi non identificati: i pigmenti neri da eterocicli policondensati, il nero di acetilene e i loro prodotti di frammentazione. Questi materiali neri, sottoposti a radiazioni cosmiche ad alta energia, vengon scissi e ricombinati, fino ad ottenere, con l’ausilio dell’ H2O del ghiaccio, molecole organiche semplici ossigenate CH2O, CH3OH, C2H5OH, ecc. ed azotate HCN, CH3CN, ecc.: queste molecole a loro volta intrappolate prenderan parte ad ulteriori scissioni e combinazioni. Secondo questo modello, i grani fungon da supporto per reazioni chimiche in fase solida. Queste avverranno a temperature vicine allo zero assoluto, sotto l’azione di radiazioni cosmiche paragonabili per intensità ai raggi laser terrestri. In queste condizioni, si posson realizzare reazioni selettive su siti molecolari fotosensibili (bersagli) eliminando il rumore di fondo di vibrazioni e movimenti termici. La frammentazione spinta dei materiali neri porterà a una miriade di radicali, in grado di reagire con le molecole d’acqua del ghiaccio, captando l’ossigeno: nasceranno così composti ossigenati, azotati e misti, chiave di volta per biomonomeri e polimeri. Nei grani si formeranno prodotti alifatici e prodotti aromatici ed eterociclici ossigenati, tra i quali:

-          ALCOOLI: CH3OH, C2H5OH, ecc.;

-          ALDEIDI: HCHO, CH3CHO, ecc.;

-          ACIDI: HCOOH, CH3COOH, ecc.;

-          AMMINE: NH3, CH3NH2, C2H5NH2, ecc.;

-          NITRILI: HCN, CH3CN, ecc.;

-          AMMINOACIDI: HC (NH2)COOH, CH3CH(NH2)COOH,ecc. (secondo Strecker, per combinazione di aldeidi ed acido cianidrico).

Partendo da pochi prodotti semplici, seguirà a cascata il fiume delle molecole organiche e da queste la vita. Nella sintesi biologica di biopolimeri (polisaccaridi, proteine, lipidi ed altre), l’energia solare vien trasformata in energia chimica. Consumando questi prodotti, gli organismi acquisiscono i mattoni della materia vivente e ricuperano parte dell’energia accumulata. Le macromolecole svolgono così il triplice ruolo di:

Strutture di supporto per gli organismi,

Accumulatori di energia,

Magazzino (serbatoio) dei mattoni della materia vivente.

Su questi semplici principi è costruita la vita terrestre.

Qualcosa di analogo accade nel cosmo. Quando le stelle sintetizzano gli elementi di base e dappoi i polimeri organici, esse hanno trasformato di fatto energia nucleare in energia chimica.

Dopo l’espulsione dalle stelle, i polimeri organici navigano nello spazio, svolgendo anch’essi un triplice ruolo, come:

Materiale di supporto sfruttando le proprietà meccaniche elettriche ed ottiche (trasferimento di cariche, diffrazione di radiazioni, trasformazione di luce in energia elettrica);

Accumulatori e distributori di energia (chimica);

Magazzino di frammenti molecolari, (molecole semplici e complesse).

Le reazioni dello spazio e delle stelle, appartengono alla chimica prebiotica.

Nelle stelle le reazioni si svolgono ad altissima temperatura e pressione, in ambiente riducente:è il sito ideale per la chimica del carbonio, idrogeno e azoto. L’ossigeno invece, laddove si forma, subito viene intrappolato in molecole d’acqua.

La chimica degli spazi interstellari è la chimica del freddo: si svolge nei grani a temperature vicine allo zero assoluto, in sistemi solidi (ghiaccio), sotto l’azione di raggi cosmici, in presenza dell’ossigeno delle molecole d’acqua del ghiaccio. E’ una chimica nella quale i legami si scindono e riformano con gran precisione.

Lo schermo della materia oscura, la bassa temperatura, l’assenza di ossigeno libero gassoso e gravità permetteranno la sopravvivenza di radicali e molecole anche molto reattive.

La chimica dell’era biotica, invece, è di una sofisticata raffinatezza: è la chimica degli enzimi in funzione antiradicalica. E’ una chimica che ama temperature moderate, ambiente acquoso, atmosfera ricca di ossigeno: è la chimica che ha addomesticato l’ossigeno, il più aggressivo tra gli elementi terrestri.

Nonostante le differenze vistose, queste tre chimiche son accomunate dagli stessi principi: “natura enim simplex est”. L’ordine cosmico ha improntato il mondo biologico, ha plasmato il mondo vivente secondo un principio architettonico unico. Ovunque si volgan gli occhi nel mondo, avvengono reazioni chimiche: le piante e certi batteri fissan l’energia solare sintetizzando da materiali semplici sostanze complesse; altri organismi decompongon in strutture più semplici questi materiali, sfruttando l’energia contenuta. In ogni cellula si susseguon processi chimici intensi (riduzioni, ossidazioni, idrolisi, sintesi, ecc.).

La composizione chimica del pianeta è semplice; l’architettura biochimica degli esseri viventi è basata su pochi pilastri C, H, O, N, S, P, ecc.. Questo sparuto drappello si ramifica in una miriade di composti molecolari: quelli binari a base di solo carbonio idrogeno (gli idrocarburi), quelli ternari a base di carbonio idrogeno ossigeno (i carboidrati, i saccaridi, i polisaccaridi, i grassi, ecc.), quelli quaternari a base di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto (gli amminoacidi, i peptidi, polipeptidi, le proteine, gli acidi nucleici, gli alcaloidi, le lipoproteine, ecc.) e così via.

Gli esseri viventi posseggono una caratteristica unica, la riproducibilità. Un’altra proprietà saliente è la specificità di singole strutture ed il rapporto tra struttura e ruolo biologico.

La stupefacente varietà di forme viventi e l’individualità dei vari organismi posson venir ricondotte all’individualità di alcune macromolecole, le proteine. Eppure queste non son che combinazioni e permutazioni di pochi amminoacidi: sempre gli stessi da svariati milioni di anni.

In tutti gli organismi, gli alimenti si trasformano in anidride carbonica CO2 ed acqua H2O, attraverso poche reazioni. Produzione ed utilizzazione dell’energia, da parte delle cellule, ha lo stesso meccanismo nelle tante specie animali, dai protozoi fino ai mammiferi.

Ritornando alle stelle, la domanda sorge a questo punto spontanea su quale sia il ruolo dello “smog interstellare”; di quella spazzatura spaziale tinta di nero, cocktail tra i più micidiali. A prima vista potrebbe sembrar spazzatura rabbiosamente eruttata da fucine giganti. Ad uno sguardo più attento, esso mostra un disegno ed un mirabile fine.

Tra le nubi oscure riaffiora la luce, solleva il velo su di un grande mistero, non più del tutto celato.

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4)      DA UN FIRMAMENTO TINTO DI NERO, A PELLE E CERVELLO

La natura sulla terra è variopinta. Trascendendo valori puramente estetici, i colori svolgono un ruolo più unico che raro, nella comunicazione tra mondi diversi (vegetale, animale, minerale).

Il colore è strumento di comunicazione. Il meccanismo con cui il colore si forma è fisico: esso avviene tramite cambiamenti di stato degli elettroni nella materia.

Il colore è un fenomeno elettrico. Luce ed elettricità vengon trasformate l’una nell’altra, con facilità: sono due aspetti di una stessa natura.

Un reticolo, un prisma, una goccia di rugiada scompongon la luce nei colori dell’arcobaleno e ad ognuno di questi colori corrisponde la frequenza di un’onda elettromagnetica. Un corpo appare bianco perché riflette tutta la luce, nero se invece l’assorbe. Al sole il bianco fresco ci sembra, mentre scotta il nero. Il nero non è quindi un colore, è la sua negazione: eppure nell’uso corrente, chiamiamo il nero un colore, alla stregua degli altri. Tra colore e struttura del colorante, esiste un rapporto preciso ed i pigmenti vengon classificati sulla base della loro struttura carotinoidi, pteridine, porfirine e così via.

I pigmenti neri fanno eccezione. Essi vengon raggruppati secondo il colore che non è un colore, trascurando l’estrema diversità di molti di essi: è caos tinto di nero.

I materiali neri terrestri, a differenza di quelli spaziali di tipo binario (C, H) o ternario (C, H, N) in genere sono ossigenati. Essi si ottengon facilmente polimerizzando molecole semplici e vengono denominati dalla sostanza che li ha generati: nero di acetilene, di benzene, anilina, pirrolo, tiofene, indolo, piridina, chinolina, isochinolina e così via.

Quelli prodotti da organismi viventi son ben rappresentati sia nel mondo animale (occhi, pelle, capelli, ecc.) che vegetale (semi, fiori, frutti, legno, ecc.). Essi furon chiamati melanine[20] (= nero) e spesso derivan da sistemi aromatici ed eterociclici polidrossilati[21].

A prescindere dal precursore che le ha generate e perciò dai suoi sostituenti, le melanine presentan proprietà tipiche della materia nera e queste posson venir ricondotte alla natura dello stato solido. Il materiale nero è diffuso in tutto l’universo ed è quasi sempre amorfo, non cristallino. Dalla litosfera e biosfera al cosmo, esso possiede proprietà chimiche e fisiche interessanti sia per le implicazioni col processo vitale, sia per lo studio astrochimico:

-          EPR (Electronic Paramagnetic Resonance);

-          Proprietà elettriche ed ottiche;

-          Modifica delle proprietà di superficie sotto l’azione di campi elettrici e magnetici;

-          Spettro di diffrazione ai raggi X[22];

-          Sensibilità a radiazioni che producono ionizzazione e lisi dei legami covalenti[23];

-          Frammentazione della struttura per bombardamento atomico veloce, raggio LASER, pirolisi, ossidazione;

-          Formazione di complessi a trasferimento di carica;

-          Permeabilità a gas e liquidi.

Le melanine son “frutto terrestre” e perciò quasi sempre ossigenate: la terra è il pianeta dell’ossigeno; l’ossigeno è vita. Le melanine son composti ternari (C. H. O), o quaternari (C, H, N, O) oppur più complessi (C, H, N, O, S, …): la vita ama la complessità e le melanine son frutto di organismi viventi.

Gli eterocicli policiclici neri son figli di stelle e navigano nello spazio: potremmo chiamarli “melanine spaziali”. Essi son quasi sempre composti ternari (C, H, N), più raramente quaternari: il cosmo ama la monotonia. Le melanine terrestri e spaziali hanno alcuni elementi in comune (C, H, N): esse son costruite secondo lo stesso principio e la parentela viene tradita dalla struttura. L’ossigeno differenzia le due classi senza intaccare però alcune proprietà fondamentali.

Struttura simile eppur diversa, ruolo simile oppure diverso?

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Nella struttura di tutti i pigmenti, si riconosce un concetto guida: un esteso sistema policoniugato radical-polaronico detto spina di Little[24], nel quale elettroni spaiati creano bande di conduzione. Le particelle nere son semiconduttori amorfi e presentano conducibilità elettrica, la quale può assumere valori notevoli con il drogaggio. Le melanine presentano uno spettro di diffrazione ai raggi X, che è simile a quello della grafite, o di un fullerene gigante.

La stretta parentela tra melanine e grafite si esprime nel color nero, nel segnale EPR, nella conducibilità elettrica e nella sensibilità all’ossigeno, per citar solo alcuni parametri. La parentela è così stretta da poter considerare la grafite in senso lato la melanina naturale più semplice: la “Protomelanina” dell’era prebiotica.

Come altre particelle nere, le melanine son sensibili alla luce (fotoionizzazione e fotomolisi) ed al raggio laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), il quale provoca una vera e propria esplosione della struttura. Questa proprietà trova molteplici impieghi pratici: in dermatologia[25] per trasformare pelle nera in bianca, nel restauro di opere d’arte, nella pulizia di monumenti (restauro della basilica di San Pietro) e tanti altri.

Il collasso delle particelle nere è stato studiato tra l’altro a scopo cosmo-chimico, bombardando la grafite con il laser (l’esperimento portò alla scoperta dei Fullereni e del famoso C60)[26].

Non sembra sia stato ulteriormente indagato, se una simile reazione avvenga sulla polvere nera interstellare, né si sa con certezza se nello spazio esistano fonti di raggi simili al laser, Ciononostante, sembra verosimile che fotoscissioni analoghe giochino un ruolo non indifferente nella fotolisi dei polimeri eterociclici neri presenti nello spazio: in effetti le piccole molecole organiche associate alla materia nera indicano una frammentazione in atto.

Le melanine traggono origine da composti ossidrilati (ortodifenolici) di sistemi aromatici come benzene, indolo, pirrolo, piridina, chinolina.

DOPA, DHI (5,6-Diidrossindolo), DHICA (acido 5,6-Diidrossindol-2-carbossilico), dopamina, adrenalina, serotonina, 5,6–diidrossitriptamina, 5,6-diidrossi-7-metil-tetraidroisochinolina (salsolinolo)[27], sono alcune sostanze, che svolgono un ruolo nella neurotrassmissione degli organismi viventi, e che hanno la proprietà di produrre particelle nere (melanogenesi), a loro volta dotate di ruolo biologico.

La melanogenesi è una reazione complessa di tipo radicalico. La prima fase consiste nella formazione di oligomeri, in cui sono presenti catene policoniugate assemblate secondo lo schema della spina di Little. La seconda fase è caratterizzata dall'autoassemblaggio delle varie unità fino a raggiungere strutture grafitiche. Questo modello è universale e vale per le melanine terrestri e spaziali (nel caso delle prime va opportunamente considerato il ruolo dell’ossigeno e degli enzimi operanti sulla terra).

Le melanine sono in grado di legare svariate sostanze ed ioni sia per salificazione (carbossili, basi azotate) che per coordinazione in complessi di tipo porfirinico o grazie a fenomeni interstiziali. Anche vari gas e acqua possono venir intrappolati dalle melanine (adsorbimento), come avviene nel caso del carbone attivo e dei piccoli fullereni (C60 e C70) con alcuni gas nobili. L’intrappolamento di ossigeno ed acqua può suggerire nuovi ruoli biologici delle melanine quale matrice per reazioni guidate.

Il sistema pofirinico permette la formazione di svariati complessi, aiutando a spiegare l’affinità per ioni e metalli, l’attività perossidasica, l’adsorbimento di gas, la coordinazione di molecole d’acqua, la conduttività elettrica.

Queste proprietà ed il fatto che le melanine (seppur differenti da quelle attuali per la mancanza di ossigeno) dovevan già esser presenti sulla terra nell’era prebiotica, ha portato ad ipotizzare un loro ruolo nell’autoassemblaggio delle prime molecole organiche.

In qualità di matrice, questo materiale offrirebbe molti vantaggi, oltre al semplice assorbimento dei reagenti da parte dei minerali. In contrasto con la monotona simmetria di un reticolo minerale, le particelle nere possono offrire una vasta diversità di configurazioni steriche, sia con le proprie superfici esterne che con q