FROM THE STARS TO THE MIND

Nota presentata dal socio ord. non res.Bruno J.R. Nicolaus e da Giorgio Tangorra [1]

KEYWORDS: Astrochemistry, Black Particles, PAH, Acetylene Black, Interstellar Medium, Bok Globules, Carbonaceous Stars, Carbon Nitrogen Nucleosynthesis, PHB, Entropy / Life / Mind / Conscience / Information / Organization / Brain.

SUMMARY: The nucleosynthesis of chemical elements in the stars is described as an antientropic process, fulfilled at cost of the strong increase of cosmic entropy produced by stellar irradiation. It is stressed, how the chemistry of carbon, the main component of living matter, started in the carbonaceous stars with formation of various hydrocarbons, among which, acetylene. This highly reactive compound polymerised, forming linear cyclic and heterocyclic products, which were subsequently erupted in the interstellar medium. Because of their peculiar chemical optical and electrical properties, two main functions were attributed to these materials, which are among the most common in space: from one side accumulating chemical energy, from the other side storing the three key elements: carbon, hydrogen and nitrogen. It was also stressed how the biogenous molecules were synthesized in the interstellar grains starting from these polymers, with the aid of light. The second phase of this spatial and planetary process is characterized by a tendency to decreasing local entropy which is kept, on its turn, by the increase of planetary entropy and by solar irradiation. This adventurous trip, from the Big Bang till the human brain across various theories and hypothesis, shows how exceptional is <<life>> within the global universe economy and how wonderful is <<conscience>> within the economy of life itself. Living matter is aimed at expanding abroad as much as possible, protecting its own genoma by means of a complex digital system, whereby the birth of manifold organisms in such a short time makes evolution less casual. Life and human conscience are opposing a steady growth of organisation and information against the global increase of cosmic entropy. In some way, we are going to find in the human brain, what matter lost at cosmic level: an admirable virtual reversed image of our surrounding.

SOMMARIO: La sintesi stellare degli elementi chimici costituenti la materia dell’universo viene interpretata come processo antientropico, realizzatosi a spese del forte incremento di entropia cosmica derivante dall’irraggiamento stellare.

Viene prospettata e dibattuta l’ipotesi che la chimica del carbonio,

principale costituente degli organismi viventi, sia iniziata nelle stelle carbonacee con la formazione di vari idrocarburi tra cui l’acetilene. Grazie alla sua grande reattività, quest’ultima si sarebbe presto trasformata in polimeri lineari, ciclici ed eterociclici , eruttati successivamente nelle nebulose interstellari. Grazie alle loro proprietà chimiche ottiche ed elettriche, a questi materiali, che sono i composti più diffusi dello spazio, è stata attribuita la funzione chiave di accumulatori di energia chimica e di serbatoi spaziali di carbonio, idrogeno e azoto. E’ proprio da questi materiali che nei grani interstellari sono state ricavate, per foto scissione e combinazione, le molecole biogene. Questa seconda fase, in parte spaziale ed in parte planetaria, è caratterizzata da un’ulteriore tendenza alla riduzione dell’entropia locale, alimentata dall’incremento di entropia dell’ambiente planetario e dall’irraggiamento solare.

Questo avventuroso viaggio dal Big Bang fino al cervello dell’uomo, attraverso varie ipotesi e teorie, mette in evidenza l’eccezionalità del fenomeno <<vita>> nell’economia generale dell’universo ed il prodigio della << coscienza>> nell’economia della stessa vita.

La materia vivente tende alla massima diffusione possibile, salvaguardando il proprio

ge noma tramite un complesso sistema digitale. La nascita in tempi così brevi di questa pluralità di organismi complessi, riduce la casualità dell’evoluzione a favore di esiti coordinati e coerenti.

All’ incremento generale di entropia del cosmo, la vita e la coscienza dell’uomo contrappongono una costante evoluzione verso l’organizzazione e l’ informazione: ciò che va perso dalla materia a livello cosmico si ritrova concentrato nel cervello dell’uomo, quale mirabile immagine virtuale e rovesciata di ciò che ci circonda.

PREFAZIONE: L’universo è sempre stato od è nato col Big Bang? Come si sono formate vita e materia? Cosa è la vita? L’ uomo è solamente un ominide evoluto? Cosa sono pensiero e coscienza e dove sono localizzati?

Domande esistenziali, come queste hanno da sempre agitato la mente dell’uomo. Secondo la scienza moderna, i fenomeni vitali sono spiegabili sulla base di semplici leggi fisiche, chimiche, biologiche e le proprietà della materia vivente vengono attribuite alla tendenza alla complessità ed auto organizzazione dei sistemi.

Nel presente lavoro, si tenta di portare un contributo razionale alla soluzione globale di questo affascinante problema.

1. ORIGINI LONTANE ED INCERTE, FUTURO PRECARIO [2]

< < Viandante, son le tue orme

la via, e nulla più;

viandante non c’è via,

la via si fa con l’andare.

Con l’andare si fa la via

e nel voltare indietro la vista

si vede il sentiero che mai

si tornerà a calcare.

Viandante, non c’è via

ma scie nel mare >>

Antonio Machado

Le domande sulle origini della vita,dell’uomo, della terra e dell’universo sono già presenti presso le antiche culture e la loro insistenza è tale da diventare talvolta ossessiva.

Estendendosi a concetti più astratti ( spazio, tempo, bene, male, ecc.) molte furono le soluzioni proposte, tante quante sono le stesse culture. Teorie, ipotesi, e credenze si sono rincorse nel volgere dei secoli, fino a culminare in due grandi visioni, che fanno capo al Creazionismo e al Darwinismo [3]. Secondo Kant, l’uomo dovrebbe limitarsi invece a contemplare ed ammirare rispettosamente il Creato, dato che mancano i presupposti razionali necessari per dar vita ad una interpretazione credibile sia delle origini che dello sviluppo dell’Universo.

D’altra parte, il fatto stesso di porsi questa eterna domanda non fa che celare paura e bisogno di protezione: sentirsi vicino un Ente supremo è rassicurante, specialmente quando si è impegnati in una lotta per la vita senza quartieri.

Fin dagli inizi, il Creatore è stato raffigurato con sembianze umane e come un Essere capace di dar vita e forma a tutte le cose. La Creazione è stata immaginata come originata a volte da un uovo, a volte da un fiore o dalle onde spumeggianti del mare; a volte in grado di librarsi sulle ali di un uccello od accompagnata da un tuono, da un fragoroso rullar di tamburi; altre volte da dolcissima musica.

Queste antiche raffigurazioni sembrano riaffiorare nella scienza moderna: il tuono della Creazione oggi viene chiamato Big Bang (Urknall), mentre la <<Musica del sole>> recentemente scoperta [4], richiama alla mente antiche armonie scaturenti dal profondo del cosmo.

Il successo raccolto dalla teoria evoluzionistica è dovuto a fattori scientifici e sociologici e le sue radici affondano nell’empirismo tipico dell’era moderna. Esse si basano su fatti obiettivi, su rilevazioni sperimentali controllate e sui più recenti sviluppi di biochimica e genetica, le quali hanno portato alla scoperta di un meccanismo di trasmissione dell’ereditarietà comune a tutti gli esseri viventi, abbastanza coerente con i presupposti di Darwin (1859) e che li ha resi più credibili.

Inoltre, la possibilità di spiegare razionalmente lo sviluppo della vita, ha trovato terreno fertile nelle società borghesi di stampo illuministico ed in quelle marxiste leniniste del secolo scorso.

***

Superate le schermaglie tra evoluzionisti e creazionisti [5,6], la cultura occidentale laica e religiosa appare oggi più incline ad accettare lo schema razionale della teoria dell’evoluzione, mentre il cosiddetto <<stato di vita>> o cosa intendiamo per vita, continua a resistere ai vari tentativi di definizione fisica e filosofica.

Secondo la versione più accreditata, la <<vita>> è “uno stato comune della materia presente sulla superficie terrestre e negli oceani, formato da combinazioni complesse di quattro elementi principali (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto) oltre a zolfo, fosforo e tracce di altri [7].

Più facilmente definibili, sembrano invece alcuni caratteri fondamentali, i quali contraddistinguono gli esseri viventi e che riproponiamo, così completati:

1. I viventi si generano sempre e solo da viventi;

2. rivestono una forma definita e costante ;

3. sono costituiti da unità fondamentali (cellule), affini per struttura e funzione;

4. posseggono la proprietà di costruirsi e mantenersi a spese delle sostanze chimiche e dell’energia, che ricavano dall’ambiente;

5 .mantengono rapporti continui col mondo esterno e sono in grado di reagire a determinati stimoli;

6. salvaguardano l’informazione genetica nell’ambito di ciascuna specie;

7. non sono perenni, dato che ciascun individuo è destinato a scomparire a conclusione di un ciclo vitale predeterminato (biological clock), dando vita ad altri individui;

8. tendono alla massima diffusione possibile [8];

9. sono termolabili e la vita è solo possibile in un ambito di temperature molto ristretto.

La salvaguardia dell’informazione genetica (par.6) permette di conservare l’informazione sfidando l’incremento generale del caos (entropia), grazie ad un complesso sistema digitale, quale è quello cromosomico. Questo, a differenza delle nostre tecnologie elettroniche basate su due alternative 1 e 0, ne adotta ben quattro: A, G, C, T (Adenosina, Guanina, Citosina, Timina), le quali rappresentano le lettere del linguaggio digitale dei viventi. Questo linguaggio ha dimostrato una stupefacente capacità di conservare accuratamente i caratteri ereditari delle singole specie e di difenderli dagli agenti esterni più svariati.

Forse per la prima volta nella storia del Cosmo, ci si trova di fronte alla capacità da parte di alcune catene molecolari di perpetuarsi, salvaguardando le informazioni necessarie alla formazione di individui successivi, a spese dell’energia captata dall’ambiente circostante.

Si tratta di una sorta di sfida all’universale tendenza all’incremento di disordine ed entropia, che troverà il massimo trionfo nell’essere umano ed in particolare nella mente umana , con la sua capacità di coordinamento razionale e di slancio creativo, fino alla conquista dell’autocoscienza.

Molti biologi ritengono che la sintesi della vita da materiale inanimato sarà realizzabile nel prossimo futuro. A quel punto verrebbe a cadere l’assioma nr.1, secondo il quale i viventi si generano sempre e solo da viventi e svanirebbero le ultime frontiere tra mondo animato ed inanimato. Questo ambizioso obiettivo non è stato finora raggiunto, nonostante si conosca parecchio sulla struttura delle cellule e siano disponibili molti dei <<mattoni biochimici>> necessari al suo assemblaggio. Altri scienziati considerano la realizzazione della vita in provetta un evento improbabile a causa della complessità della materia vivente, raggiunta attraverso un processo evolutivo di svariate centinaia di milioni di anni. Il voler ripetere questo processo in laboratorio in tempi brevi con approccio puramente causale, appare se non velleitario, perlomeno improbabile. Il futuro di questa problematica resta incerto ed è difficile predire per quanti anni resterà ancora in auge il classico assioma : “Viventes viventibus generantur” (Spallanzani, 1729-1799) [9].

Dai quark alle galassie e dai batteri agli ecosistemi planetari, la natura tende a maggior complessità ed autorganizzazione: le particelle atomiche in atomi e molecole; queste in biomonomeri e polimeri; i protobionti in strutture ed organismi pluricellulari, che a loro volta daranno luogo a sistemi sociali ed ecologici (assioma 6) [10].

La nascita in tempi così brevi di questa pluralità di organismi e strutture riduce la casualità dell’evoluzione ed altera le possibilità di variazione a favore di esiti coordinati e coerenti, capaci di far prevalere l’ordine sul caos.

***

Già prima della preistoria, una irresistibile spinta a superare ogni frontiera ha caratterizzato tutte le forme di vita. Le migrazioni delle specie animali, al fine di esplorare e conquistare il territorio, esprimono la tendenza all’espansione planetaria della materia vivente. E’ evidente che tale forma di globalizzazione non rappresenti un fenomeno puramente umano o terrestre, bensì una legge biologica universale. Lo testimonia l’arrivo sulla terra di forme di vita primordiali, trasportate a cavallo di meteoriti e comete dalle profondità del cosmo.

La spinta alla globalizzazione non ha risparmiato nessun essere vivente, tanto meno il mondo vegetale od i microrganismi, dai virus ai batteri, dai funghi ai protozoi. La diffusione è avvenuta talvolta indirettamente, tramite appropriati vettori biologici od atmosferici: polline e semi trasportati da vento ed insetti, germi sotto forma di evanescenti nebbioline (aerosol) od in balia dei venti, attaccati a polveri e sabbia.

Il fenomeno è quindi dilagato dalla sfera biologica a quella culturale, fino a determinarne l’evoluzione. L’Homo Sapiens ne è stato lo strumento principale attraverso spostamenti, commercio, migrazioni, diffusione di conoscenze e culture, grazie a tecnica e scienza [11]. Lo scambio di idiomi scritti e parlati, come pure gli svariati tentativi di sovrapporre ceppi linguistici dominanti ( greco, latino, inglese, mandarino, indostano, ecc.) soppiantando quelli locali hanno in effetti facilitato la comprensione reciproca e l’interscambio culturale (crossfertilization).

Quanto accaduto in passato si ripete in chiave moderna: oggi due dei principali motori di interscambio e sviluppo sono la lingua comune (inglese) e la libertà di spostamento di persone, di idee, d’informazioni scritte e telematiche.

Sia nel caso dell’evoluzione biologica che in quella culturale, si riscontrano spinte di senso contrario con formazione di nicchie, isolate dal trend evolutivo e dal contesto ambientale. Nelle nicchie biologiche, vita e sviluppo procedono, a piccoli passi, più lentamente e scarse sono le possibilità di interscambio col mondo circostante ( p.e. isole Galapagos). Analogamente vi sono nicchie culturali, nelle quali singole etnie vivono una vita quasi preistorica (p.e. Aborigeni australiani, Indios dell’Amazzonia, ecc.).

La collisione improvvisa ed inaspettata tra nicchie biologiche e mondo moderno può rivelarsi pericolosa: essa può creare problemi igienico sanitari con ripercussioni talvolta disastrose a livello planetario (EBOLA, HIV, AIDS, ecc.) [12] o problemi politico sociali di non facile risoluzione.

Globalizzare rappresenta per la biologia un processo del tutto consueto, ma non esente da rischi anche gravi, ogniqualvolta verranno infranti equilibri stabilizzati.

Innumerevoli pestilenze hanno afflitto l’umanità in passato [13]; altre come l’AIDS stanno devastando il mondo moderno ed altre ancora sono in procinto di farlo (BSE, Malattie molecolari ) [14,15]. Queste pestilenze non sono che incidenti di percorso del processo di globalizzazione in atto sul nostro pianeta.

Ancora più attuale, suona perciò l’ammonimento di Louis Pasteur : << Messieurs, c’est les microbes qui auront le dernier mot >>.

2. BRUSCO RISVEGLIO

« Tutte le fatiche di tutti i tempi, tutta la dedizione,

l’ispirazione, la luminosa grandezza del genio

umano, sono destinate ad estinguersi nella vasta

morte del sistema solare, e il tempio delle

conquiste umane sarà inesorabilmente sepolto

sotto i detriti di un universo in rovina…>>

Bertrand Russell

Angosciato dai mille pericoli di un ambiente ostile, l’uomo ha cercato protezione e sicurezza fino a disegnarsi un modello di universo fatto a propria misura.

Da Tolomeo e da altri antichi avevamo ereditato un quadro rassicurante con la terra al centro ferma e tranquilla, accarezzata dal sole, sorvegliata e quasi protetta dagli altri pianeti; l’uomo affidato alla divina Provvidenza fino all’estremo giudizio.

Copernico, Galileo e Newton ci hanno brutalmente risvegliati da questo sogno idilliaco, durato millenni. Di colpo, ci siamo ritrovati su una terra piroettante attorno al sole e con esso in fuga per l’universo, in balia di buchi neri, raggi cosmici, asteroidi e comete [16]. Oggi sappiamo, che l’universo tende alla massima dispersione ed al livellamento termico (congelamento) e che è frutto improvviso di una catastrofe immane, il Big Bang. Al di là della nostra galassia, che avevamo scambiato per espressione immutevole dell’ordine eterno, si susseguono apocalittici drammi sconosciuti agli antichi: collisioni di astri e comete, esplosioni, nascita e morte di stelle e pianeti, scontri tra gigantesche galassie. Il sole e le stelle, la cui luce amica guidò per secoli fiduciosi naviganti e mercanti non sono che bombe, bombe all’idrogeno alimentate da reazioni nucleari, predestinate a spegnersi tutte, prima o poi. L’inconscia paura di qualche giudizio universale ha ceduto il passo alla razionale certezza di una inevitabile fine.

L’universo una volta tutt’ordine e pace, ci appare ora in preda a gigantesche manifestazioni nucleari. L’azzurro del cielo, sede dell’Olimpo e dei nostri ideali di perfezione più alti, è teatro di novae e supernovae minacciose, di radiazioni letali, di venti stellari, di bombardamenti incessanti da parte di pericolose particelle ionizzanti.

Dagli spazi interstellari ci giungono lampi di luce più o meno visibile attraverso dense nubi

formate da gas e polvere cosmica. Da queste nubi, che prima o poi collasseranno in stelle e pianeti, nascono alla rinfusa composti organici semplici e complessi. Sono questi i mattoni dai quali si formeranno carboidrati e proteine, quindi assemblati in cellule ed organismi viventi [17].

Ci venne insegnato, che l’uomo era stato creato a sembianza di Dio nell’ ambito di un grande progetto celeste, mentre ora scopriamo di essere un frutto del caso: alcuni milioni di anni fa un meteorite gigante cadde sulla terra offuscando il sole e provocando buio e gelo profondi, o che una supernova esplose vicino, inondando la terra di radiazioni letali. Il cataclisma condannò a morte dinosauri e gran parte delle specie viventi, mentre permise la formazione di una nicchia biologica più adatta ai mammiferi. Da qui, gli ominidi presero l’ avvio e da loro l’Homo Sapiens.

3. CENERE E POLVERE DI STELLE

<< Il nostro destino è indissolubilmente legato a quello delle stelle>>

Paul Davies

Spinto da inesauribile curiosità, l’uomo preistorico studiava la natura circostante, osservando con stupore i collegamenti tra vari fenomeni.

Il firmamento brulicante di stelle splendenti nelle limpide notti dovette attrarre fortemente la sua attenzione. Alternando osservazione ad adorazione e meditazione, egli iniziò a mettere in relazione alcuni aspetti del clima terrestre, come precipitazioni temperature ed il gioco delle maree, col movimento delle costellazioni e col sistematico avvicendamento delle fasi lunari. Su basi del tutto empiriche, nascevano così astrologia ed astronomia, le prime e più antiche invenzioni dell’uomo. Considerando la mancanza di strumentazione adeguata e le modeste conoscenze, bisogna riconoscere che l’astronomia raggiunse ammirevoli livelli di conoscenza presso popoli indipendenti e distanti come Sumeri, Assiro-Babilonesi, Egizi, Greci, Maya, Aztechi, Incas, Cinesi, Indiani, Arabi, ecc.

Successivamente, dall’astronomia si sviluppò la cosmologia, che si pone problemi di più ampio respiro su struttura e futuro dell’intero universo. Superato l’approccio speculativo, la cosmologia si è poi evoluta in scienza empirica, grazie all’innovazione della tecnologia dei mezzi di osservazione, come telescopi ad ampio spettro, radioastronomia, spettroscopia [18].

“C’era una volta, circa 14 miliardi di anni fa, una pallina terribilmente densa e incandescente il cui grande scoppio avrebbe dato origine al nostro universo, con i suoi ammassi e le sue galassie, con stelle soli e pianeti; e su almeno uno di questi ultimi sarebbe un giorno comparsa la vita”.

Così riassumeva Giulio Giorello la teoria del Big Bang sulle origini di vita e universo [19].

Osteggiata da tanti apprezzata da molti, questa teoria oggi più o meno universalmente accettata ha formato una valida base per sviluppare nuove ipotesi sulla vita e le sue origini.

***

L’esplosione iniziale interessò simultaneamente spazio e tempo, segnando l’inizio di tutte le realtà fisiche. Attraverso un progressivo processo di espansione e raffreddamento, la temperatura iniziale di vari milioni di gradi scese ai 2,7°K di oggi. Nei primi istanti, dalla radiazione si formarono le particelle elementari come quarks ed elettroni liberi i quali bloccavano il passaggio dei fotoni: l’universo non era perciò trasparente e sarebbe sembrato totalmente buio ad un ipotetico osservatore esterno. Poco dopo e cioè alla fine dei primi tre minuti, la temperatura, scesa a meno di 3000°K, permetteva la formazione di atomi di idrogeno, per combinazione di protoni ed elettroni, passando così dall’era dell’energia pura a quella della materia. Sulla base di vari dati sperimentali, oggi si ritiene che in tutte le stelle avvengano ininterrottamente processi di fusione nucleare con conversione di idrogeno in elio ed emissione di energia radiante.

L’energia di fusione può alimentare una stella per miliardi di anni in mirabile equilibrio tra forza di gravità e pressione di radiazione. Quando la temperatura della stella è sufficientemente alta, i nuclei di elio si fondono ulteriormente, formando prima carbonio e poi ossigeno, azoto, neon ed altri elementi leggeri. Per motivi termodinamici, la catena delle reazioni nucleari spontanee si conclude nelle stelle con la formazione del ferro [20], mentre nelle supernovae, dove vengono liberate in forma esplosiva enormi quantità di energia, si formano gli elementi chimici più pesanti del ferro, come l’oro, il piombo, l’uranio, ecc. Tutti questi, dai più leggeri ai più pesanti, verranno quindi proiettati nello spazio dalle esplosioni delle supernovae, dove si mescoleranno ai detriti di altre generazioni di stelle più vecchie [21].

E’ evidente che questo 2% di materia presente nel cosmo e la stabilità del sole, in grado di bruciare con continuità e quasi senza alterazioni per miliardi di anni, hanno rappresentato i due fattori essenziali per la nascita della vita.

Tale 2% di materia ha fornito gli elementi e le molecole necessarie all’assemblaggio dei mattoni della vita fino ai primi organismi mono e pluricellulari [22], mentre il sole ha elargito l’energia per alimentare questa cascata di reazioni, che abbisognano di un apporto di energia esterna per poter evolvere [23]. L’ energia necessaria a formare o scindere un legame chimico è modesta, ammonta a solo 1 elettronvolt (eV) per atomo od elettrone [24]. I fotoni che ci giungono dal sole posseggono proprio un’energia di quest’ordine di grandezza, essendo così in grado di innescare e condurre in porto tutte le reazioni chimiche proprie dell’ assemblaggio vitale, come ad esempio la fotosintesi [25]. Il numero di fotoni presenti nell’universo (da 100 milioni a 20 miliardi per ogni particella nucleare) è in grado di produrre qualsivoglia reazione chimica. L’organizzazione della materia inanimata in materia vivente è un processo complesso, il quale procede attraverso una serie di reazioni concatenate, passando da composti semplici a quelli complessi (cfr. teoria degli ipercicli di Eigen).

Per realizzare una reazione con formazione o scissione di un legame chimico è necessario che vengano soddisfatte alcune condizioni essenziali come affinità, concentrazione e temperatura. Ciò significa che due composti reagiranno tra loro se avranno un’affinità reciproca adeguata e se temperatura (energia di attivazione) e concentrazione (cinetica) saranno sufficienti a garantire l’innesco ed il mantenimento della reazione [26].

L’essere ed il divenire della materia obbediscono a leggi chimiche e più si sale sulla scala della complessità, maggiori saranno i vincoli da rispettare e minori i gradi di libertà a disposizione.

La materia vivente è composta da quattro elementi principali : carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto. Tra questi, il primo riveste tale importanza, da potersi affermare che la chimica della vita è la chimica del carbonio.

Tra gli altri possibili elementi, candidati a svolgere questo ruolo ( p.e. il silicio), il carbonio è stato avvantaggiato dalle proprietà chimico fisiche di alcuni derivati:

Per ossidazione del carbonio si ottiene anidride carbonica ( C + O₂ à CO₂ ) una sostanza gassosa solubile in acqua, facilmente riciclabile e che gioca un ruolo fondamentale nella fotosintesi delle piante e quindi in tutti i processi vitali.

Da un altro elemento che mostra molte analogie chimiche col carbonio, il silicio, si ottiene per ossidazione biossido di silicio ( Si + O₂ à SiO₂ ) il minerale più diffuso sulla terra, ben noto nella sua forma cristallina come quarzo. Il biossido di silicio è solido, insolubile, inerte e non facilmente riciclabile. Questa differenza di proprietà chimico fisiche rappresenta il motivo principale per il quale la materia vivente è composta da carbonio e non da silicio.

Il metabolismo della materia vivente conduce a tre prodotti finali: anidride carbonica (CO₂), acqua (H₂O) ed ammoniaca (NH₃). Il primo e l’ultimo sono gassosi, mentre l’acqua è liquida ma evapora con facilità: i tre prodotti possono quindi mescolarsi facilmente nell’atmosfera, facilitando il proprio riciclo su tutto il pianeta.

In ultima analisi, è questa possibilità di riciclo facile a condizionare l’esistenza della vita terrestre.

4.IL COSMO, SCRIGNO OSCURO DELLA VITA

<<Un universo popolato da un numero infinito

di soli, intorno ai quali ruotano tanti pianeti,

popolati da creature, dotate di intelletto non

differente da quello umano. Una così sterminata

vastità del cosmo finirà per cancellare non

solo la centralità della terra, ma anche quella

dell’uomo…>>

Giordano Bruno, 1548-1600

Lo spazio non è vuoto come si credeva una volta, ma contiene materia, distribuita tra stelle pianeti nebulose e galassie.

La gran parte di questa materia, composta da idrogeno (70%) ed elio (28%) allo stato gassoso, formatasi a seguito del Big Bang riempie lo spazio in modo uniforme. Solo una minima parte (2%), costituita da polvere cosmica è distribuita alla rinfusa nello spazio interstellare oppure in modo aggregato tra comete, meteoriti, asteroidi e pianeti. La polvere cosmica (ISM,interstellar medium) è formata da cenere, eruttata nello spazio da stelle morte da tempo: è da questa cenere che sono nate e nasceranno nuove generazioni di stelle e pianeti [27]. Nello spazio sono stati identificati

vari elementi come ossigeno, carbonio, azoto, nichelio, zolfo, silicio, alluminio, ferro oltre ad un centinaio di molecole organiche semplici e complesse ( PAH da Policyclic Aromatic Hydrocarbons ).

E’ opinione corrente, che gran parte di questi derivati del carbonio si sia formata nei grani interstellari, tramite complesse reazioni chimiche di foto scissione e foto sintesi. Il carbonio e l’idrogeno derivano da fotolisi dei PAH, l’ossigeno dalla foto demolizione di acqua ghiacciata, l’azoto per foto scissione di ammoniaca, pure presente nei grani in forma ghiacciata. Secondo questa ipotesi, le molecole chiave per la sintesi della materia vivente derivano dai PAH, i quali sono a loro volta composti da carbonio ed idrogeno concatenati in strutture esagonali poli cicliche. Questa tesi viene avvalorata dalla identificazione spettroscopica dei PAH nello spazio [28] e da simulazioni sperimentali eseguite in laboratori chimici terrestri [29].

Per arrivare alle molecole della vita si può quindi immaginare un processo sequenziale, riconducibile a titolo esemplificativo a otto stadi principali :

1. formazione di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto per nucleosintesi stellare,

2. susseguente sintesi stellare, di idrocarburi aromatici formati da carbonio ed idrogeno ( tra cui i PAH) , di acqua formata da idrogeno ed ossigeno (H₂O) e di ammoniaca formata da azoto ed idrogeno (NH₃),

3. espulsione di queste sostanze nello spazio cosmico,

4. foto scissione nei grani interstellari dei PAH in piccoli frammenti,

5. fotosintesi nei grani interstellari di molecole organiche molto reattive, da questi frammenti, acqua ed ammoniaca,

6. trasferimento sulla terra di queste molecole organiche semplici e loro derivati più complessi, tramite comete e meteoriti,

7. sintesi terrestre di biomonomeri e polimeri dalle molecole organiche di origine cosmica,

8. assemblaggio evolutivo di queste strutture chimiche in materia vivente.

Al riguardo di questa stimolante ipotesi, esprimiamo alcune considerazioni critiche:

1. La temperatura dei grani interstellari varia secondo la loro ubicazione. Quelli vicini a stelle attive raggiungono temperature di migliaia di gradi, quelli lontani

temperature vicine allo zero assoluto. La temperatura rappresenta un parametro critico nella maggior parte delle reazioni chimiche. Sulla superficie dei grani più caldi potrebbero essere preferite reazioni in fase gassosa, in quelli più freddi reazioni in fase solida.

2. Per le reazioni di foto- scissione e sintesi è fondamentale l’esposizione a fonti di energia radiante Anche in questo caso vi sono nelle nebulose zone più o meno esposte e quindi zone adatte e zone non adatte a reazioni foto chimiche.

3. Le concentrazioni dei reagenti nei grani sono talmente basse che le probabilità di incontro simultaneo ed efficace tra due, tre o più molecole sono irrilevanti. E’ perciò difficile capire, come si possano formare in queste condizioni monomeri e polimeri, la maggior parte dei quali contiene quattro elementi chiave: carbonio, idrogeno, ossigeno ed azoto.

4. Queste problematiche di natura cinetica gettano un velo d’incertezza sull’ipotesi che i PAH siano il prodotto chiave, da cui derivare tutte le altre molecole organiche, necessarie per la sintesi dei cosiddetti mattoni della vita.

5. Sembra verosimile che parte delle molecole organiche semplici come acido cianidrico, acetilene, etilene, ecc. derivino da sintesi stellare oltre che da foto scissione e combinazione dei PAH nei grani interstellari.

6. Nelle stelle carbonacee si forma, da idrogeno, carbonio, il quale si trova in natura in quattro forme dette allotropiche: fuliggine, grafite, diamante, fullereni. Se non sopravvengono altre reazioni, il carbonio viene quindi eruttato tal quale nello spazio intrastellare, dove è stato in effetti identificato. Considerata la gran quantità di idrogeno presente e l’alta temperatura, parte del carbonio reagirà con l’ idrogeno dando luogo ad idrocarburi semplici insaturi altamente reattivi (radicale metinico, metilenico, metilico, acetilene, etilene, ecc.). Questi composti tenderanno a stabilizzarsi reagendo con se stessi (dimerizzazione, polimerizzazione) o con altre molecole affini, iniziando la nascita di un numero sterminato di molecole organiche semplici e complesse. Secondo questo schema, tutti i composti organici presenti nello spazio e sulla terra, possono essere considerati sostanzialmente derivati dei radicali metinico/metilenico e dell’ acetilene.

***

Come sopra menzionato, i PAH sono composti binari a base di carbonio ed idrogeno concatenati in anelli esagonali e possono essere considerati dei polimeri, formatisi nelle stelle giganti da acetilene e derivati. Sulla terra essi si ritrovano nei catrami della distillazione di carbone e petrolio [30], accompagnati da analoghi ciclici contenenti anche uno o più atomi di ossigeno, azoto o zolfo. I PAH sono sistemi a struttura complessa, le cui proprietà chimiche e biologiche come stabilità, reattività e tossicità, variano molto da composto a composto. Basti pensare che a questa classe appartiene il benzopirene, tristemente noto per la sua carcinogenicità (fumo delle sigarette!). I PAH sono diffusi nello spazio interstellare, ma sono facilmente sintetizzabili in laboratorio per combustione di acetilene [31]. Quest’ultima, presente nello spazio, si può preparare in laboratorio da idrogeno e carbone ad alta temperatura. Si tratta di un composto molto reattivo, formato da due soli atomi di carbonio ed idrogeno (C₂H₂), che tende a reagire con se stessa in un processo chiamato polimerizzazione, dando luogo a strutture più stabili , tra le quali vale la pena di citare il Nero di Acetilene, un pigmento organico ottimo conduttore dell’ elettricità. .

In precedenti lavori [2,32], abbiamo ipotizzato l’esistenza di questo pigmento nero nelle nubi interstellari, dove potrebbe giocare un ruolo di rilievo nel trasferimento di cariche elettriche, contribuendo a causarne il colore scuro. Esso rappresenta un << magazzino spaziale >> di carbonio dal quale è possibile ricavare per fotolisi e fotosintesi frammenti chimici adatti alla sintesi di monomeri biogeni.

Le stelle carbonacee sono ricche di carbonio, idrogeno ed azoto. E’ facile immaginare come nel corso di reazioni chimiche stellari, ed in maniera analoga alla formazione dei PAH, si siano formati anche gli eterocicli azotati ( composti ciclici a base di carbonio,idrogeno ed azoto). In effetti nella cometa Halley, il progetto PUMA ha identificato vari prodotti ciclici appartenenti a questa classe e di fondamentale importanza per la chimica della vita (pirrolo, piridina, pirimidina, imidazolo, e forse purina ed adenina) [33].

Molti di questi composti, come ad esempio il pirrolo e l’indolo, tendono a polimerizzare in

maniera analoga all’acetilene [34], formando polimeri neri, che abbiamo chiamato brevemente PHB (Policyclic Heterocyclic Blacks, o eterocicli policiclici neri ).

I PHB rappresentano dei moduli compatti, con i quali vengono trasportate simultaneamente miscele ternarie di carbonio, idrogeno ed azoto. Da questi moduli è possibile ricavare, per foto dissociazione e combinazione, molecole organiche azotate e ossigenate identiche a quelle che compongono gli organismi viventi.

Polimeri strutturalmente simili ai PHB esistono anche sulla terra, dove sono stati ampiamente studiati. Sappiamo quindi che sono molto sensibili ad ossigeno, luce e raggio LASER, il quale ultimo provoca una vera e propria esplosione della struttura [2,32].

E’ pertanto verosimile, che nei grani interstellari, i PHB subiscano reazioni simili, con formazione di frammenti organici identici a quelli ottenuti nei laboratori terrestri.

***

Sotto la spinta del progresso scientifico e tecnologico, la nostra visione cosmologica è mutata e sempre più spesso si avanza l’ipotesi di una nascita extraterrestre della vita.

Oggi sappiamo che nello spazio c’è materia e che molte delle molecole identificate si trovano anche sulla terra. Le nebulose non stellari sono grosse discariche nere di spazzatura cosmica, giganteschi cumuli di cenere, dai quali sono nati e nasceranno nuove stelle e pianeti: la vita e noi stessi siamo fatti di cenere e polvere di stelle.

I grani, nei quali è aggregata la polvere interstellare, mostrano interessanti proprietà:

-Ottiche: diffrazione ed assorbimento di radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari;

-Elettriche: spostamento di cariche ed effetto fotoelettrico;

-Chimiche: catalisi di reazioni foto chimiche, dissociazioni e combinazioni.

I grani si comportano come piccoli laboratori spaziali dove avvengono delicate reazioni: materiali complessi come i PAH ed i PHB vengono scissi in frammenti e questi ricombinati in molecole ossigenate ed azotate. Si possono formare così svariati composti organici chiave come alcoli, aldeidi, acidi carbossilici, ammine, nitrili, amminoacidi, fenoli ed altri importanti derivati funzionali del carbonio.

La materia vivente è formata da carbonio, idrogeno, ossigeno ed azoto. Per formarsi, è necessario che questi elementi si incontrino in forma appropriata (rispetto dell’affinità chimica), in luogo e tempo adatti. Essi provengono da sintesi stellare e/o cosmica, in forma semplice o combinata:

Il Carbonio, come polvere di carbone, fuliggine, grafite, diamante, fullereni,

mono- e biossido di carbonio, metano, etilene, acetilene, radicali metinici, ecc.;

L’Idrogeno, come acqua;

L’Ossigeno, come acqua;

L’Azoto, come ammoniaca, monossido e biossido di azoto, azoto puro.

I PAH ed i PHB rappresentano forme condensate di carbonio/idrogeno e rispettivamente carbonio/idrogeno/azoto. Impacchettati in moduli solidi, questi elementi si sono trasferiti dalle stelle alle nebulose senza disperdersi ( idrogeno e azoto gassosi per natura sono intrappolati nelle maglie di un reticolo solido). Con la polimerizzazione dell’acetilene si è raggiunto un duplice scopo: compattare gli elementi chiave ed accumulare energia chimica.Nelle nubi interstellari, i polimeri vengono scissi ed i loro frammenti ricombinati con radicali ossigenati e/o azotati provenienti dai ghiacci di acqua ed ammoniaca.

I PHB sono buoni conduttori, mostrano un pronunciato effetto fotoelettrico (trasformazione di luce in corrente) e giocano un ruolo nell’evoluzione delle nubi stellari. Nell’evoluzione della chimica cosmica, i PHB svolgono un triplice ruolo, come:

-STRUTTURE DI SUPPORTO: proprietà meccaniche, elettriche ed ottiche (trasferimento di cariche, diffrazione ed assorbimento di radiazioni, trasformazione di luce in corrente elettrica);

-ACCUMULATORI: di energia chimica;

-MAGAZZINI SPAZIALI: di carbonio, idrogeno, azoto sotto forma di moduli compatti solidi, da cui ricavare frammenti molecolari semplici (mattoni per biogenesi).

Un ruolo analogo viene svolto sulla terra da vari polimeri organici, mettendo in risalto la stretta parentela tra chimica terrestre e spaziale ed il fatto che un unico principio architettonico sembra organizzare materia vivente e materia interstellare.

Le reazioni dello spazio e delle stelle appartengono alla chimica prebiotica e sono parzialmente paragonabili a quelle che siamo soliti condurre nei laboratori terrestri. Nelle stelle le reazioni si svolgono ad altissima temperatura e pressione in ambiente riducente: sito ideale per le reazioni tra carbonio, idrogeno ed azoto. L’ossigeno invece, laddove presente verrà subito catturato dall’idrogeno con formazione di acqua [35].

La chimica dello spazio si svolge nei grani, a temperature vicino allo zero assoluto o localmente più alte secondo l’ubicazione; in sistemi solidi sotto l’azione di radiazioni, in presenza di acqua ed ammoniaca ghiacciate. In queste condizioni, i legami dovrebbero scindersi e riformarsi con precisione, mancando quasi del tutto le oscillazioni termiche di fondo [36]. Nelle zone più calde prevarranno reazioni in fase gassosa o adsorbita, più vicine a quelle terrestri. Potrebbero innescarsi così anche reazioni di equilibrio con formazione di molecole polifunzionali (amminoacidi, ecc.).

La chimica dell’era biotica, quella della materia vivente, è più sofisticata. E’ la chimica degli enzimi in funzione anti radicalica: ama temperature moderate come quella del nostro corpo, ambiente acquoso, atmosfera ricca di ossigeno, il più aggressivo tra gli elementi presenti sul nostro pianeta.

Nonostante le differenze vistose, le “ tre chimiche”, stellare spaziale e terrestre, sono governate dalle stesse leggi e restano accomunate dallo stesso principio: “NATURA ENIM SIMPLEX EST”.

5.SI ALZA IL SIPARIO

<<La scienza non può spiegare il mistero

ultimo della natura.

E questo perché, in ultima analisi, noi

stessi siamo parte del mistero che

tentiamo di spiegare>>

Max Planck

Secondo analisi spettroscopiche, i grani interstellari sono composti da un nucleo di silicio ricoperto da un mantello di acqua ed ammoniaca ghiacciate.

Intrappolati in questa calotta, si trovano strutture organiche complesse derivate da polimerizzazione di molecole reattive, eruttate dalle stelle. Questi materiali sottoposti a radiazioni cosmiche ad alta energia, vengono scissi e ricombinati nei grani, i quali fungono da supporto per reazioni in fase solida, gassosa e forse liquida, realizzando scissioni e combinazioni selettive su bersagli molecolari fotosensibili.

La frammentazione dei materiali neri interstellari porta a radicali liberi, in grado di captare l’ossigeno dalle molecole d’acqua ghiacciata: nasceranno così nuovi composti ossigenati, azotati e misti, prodotti chiave per la sintesi di monomeri e polimeri di importanza biologica.

La formazione stellare dei vari elementi chimici leggeri e pesanti, prima sintesi di materia organizzata e trasformazione di energia pura in energia chimica, rappresenta come fenomeno antientropico una eccezione al generale aumento di entropia del cosmo.

Gli elementi tenderanno a loro volta a trasformarsi in strutture più organizzate (molecole semplici e complesse), obbedendo a leggi precise (affinità e valenza). Ciò significa che ogni elemento potrà combinarsi con elementi per i quali abbia una certa affinità, solo in rapporti prefissati (valenza), mentre i due parametri affinità e valenza verranno determinati dalla struttura elettronica dei singoli elementi.

Proviamo a esemplificare questo concetto a mezzo di due esempi:

Se bruciamo del carbone (C) in un’atmosfera di ossigeno (O₂) si formeranno sempre e solo monossido (CO) e/o biossido (CO₂) di carbonio. Ciò significa che il carbonio ha affinità per l’ossigeno e che reagirà con lui sempre e solo nel rapporto 1:1 oppure 1:2, secondo la quantità di ossigeno presente, obbedendo alla sua valenza chimica.

Se facciamo scoccare una scintilla in una miscela di idrogeno (H₂) ed ossigeno (O₂) avverrà un’esplosione con formazione di acqua (H₂O). Ciò dimostra che i due elementi hanno grande affinità e che reagiscono nel rapporto 2:1.

Le leggi della valenza e dell’affinità hanno valore universale, rispettando un principio organizzativo globale della materia.

La chimica di stelle e spazio mette in evidenza come l’organizzazione della materia passi attraverso fasi di maggiore e minore complessità, che si alternano nel tempo:

à reazioni nucleari à sintesi di elementi à sintesi di molecole à polimeri

stellari (PAH,PHB,Nero

di acetilene)

à scissione in frammenti à combinazione dei frammenti à e così via.

Dal semplice al complesso, dal complesso al semplice per tornare ad un complesso con livello di organizzazione superiore, secondo un processo antientropico definito.

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Nei primi cinquecento milioni di anni, la terra è stata bombardata innumerevoli volte da piccoli pianeti, asteroidi, comete ed altri residui della nebulosa solare. Le tracce di questi apocalittici scontri sono tuttora palesi nei crateri piccoli e grandi, scoperti in varie contrade [37]. A parte i danni meccanici causati da questa “pioggia” spaziale, è più che verosimile che con essa siano arrivate sul nostro pianeta molecole organiche stivate nei

grani delle nubi interstellari. Si veniva a creare così sulla crosta terrestre, nelle acque marine e lacustri una miscela di reagenti pronta per ulteriori combinazioni. Nell’era prebiotica proseguivano sulla terra reazioni chimiche già abbozzate nello spazio e se ne sviluppavano altre adeguate alle nuove condizioni ambientali. La temperatura passava dallo zero quasi assoluto dello spazio alle miti temperature terrestri. Le molecole non più congelate nei grani, erano divenute mobili e s