Utente:FranzIlCorrettore/Sandbox

L'esobiologia (o astrobiologia) è un campo prevalentemente speculativo della biologia che considera la possibilità della vita extraterrestre e la sua possibile natura. Necessariamente include anche il concetto di vita sintetica, poiché qualunque forma di vita dotata della capacità di evolversi naturalmente in modo concepibile, potrebbe essere creata altrove in laboratorio usando una tecnologia futuribile. Include anche l'ipotesi di un'origine della vita sulla Terra tramite panspermia, teorizzata dal genetista premio Nobel Francis Crick e dall'astronomo Fred Hoyle. Il genetista Eugene Koonin ritiene che l'origine della vita sulla sola Terra sia così improbabile da ipotizzare che essa si debba essere manifestata su svariati infiniti universi.

Il termine deriva dall'unione della parola greca esso ("esterno") con il sostantivo biologia, ad indicare per l'appunto la specializzazione di questa branca scientifica verso forme di vita esterne alla Terra, diverse da quelle conosciute. Un sinonimo di esobiologia usato in passato è xenobiologia, sebbene quest'ultimo è un termine ora utilizzato in senso più specifico per indicare una "biologia basata su una chimica diversa", indipendentemente se di origine terrestre od extraterrestre. Poiché processi vitali basati su biochimiche alternative sono stati creati in laboratorio, la xenobiologia è considerata attualmente una materia a pieno diritto.

Elementi e molecole essenziali per gli esseri viventi e loro diffusione nello spazio

Genesi degli elementi chimici

Attualmente, si stima che l'Universo si sia formato 13,8 miliardi di anni fa da quello che è comunemente chiamato Big Bang. Ci sono due momenti, avvenuti dopo il Big Bang, particolarmente interessanti per la formazione di pianeti e per l'esistenza della vita. Il primo è la nucleosintesi, immediatamente successiva al Big Bang, che ha creato gli elementi iniziali dell'Universo. Il secondo è la formazione di strutture, quali galassie, stelle e pianeti. Gli elementi chimici generati agli esordi del nostro Universo sono stati elio, idrogeno e, in piccola parte, litio. Sotto l'azione della forza di gravità questi ammassi di gas collassano su se stessi dando origine alle stelle. Nel nucleo delle stelle avviene la fusione nucleare in cui atomi di idrogeno reagiscono tra loro per formare elio (reazione protone-protone). Nelle stelle di 0.4 masse solari, l'elio viene convertito in Carbonio (reazione 3 alfa). Solo nelle stelle più massicce avviene la fusione degli elementi più pesanti, con processi specifici per ogni elemento: ossigeno, neon, silicio… La fase finale dei processi di nucleosintesi è la trasformazione del silicio in ferro. Dato che la fusione del ferro è un processo endotermico, cioè non può avvenire senza richiedere energia, le reazioni si arrestano, la stella inizia un collasso gravitazionale non più bilanciato dalla pressione di radiazione, ed esplode in una supernova. Gli elementi più pesanti del ferro si formano durante questo tipo di evento, tramite la cattura neutronica, nella quale un flusso di neutroni prodotto dall'esplosione impatta sui nuclei, generando gli elementi mancanti.

Elementi e molecole di importanza biologica

Gli elementi chimici principali che sono alla base della vita, così come la conosciamo, sono il fosforo, l'ossigeno, l'azoto, il carbonio e l'idrogeno. Tra questi elementi il carbonio è il più importante e interessante per la vita. Nessun elemento chimico è in grado di formare tanti composti quanti il carbonio, non solo per il numero ma anche per la varietà. Una proprietà chimica del carbonio è la possibilità di formare legami covalenti mettendo a disposizione i quattro elettroni di valenza, formando legami singoli, doppi o tripli. Un'altra proprietà importante è la capacità di formare catene carboniose di lunghezza variabile, con strutture lineari, ramificate o ad anello e contenendo legami doppi o anche tripli. Queste catene hanno una caratteristica importante, non si spezzano e non reagiscono facilmente. Inoltre, visto che i legami possono essere posizionati in modo molto vario, spesso si verifica che esistono molecole con lo stesso numero di atomi ma con strutture diverse e proprietà differenti. Tali molecole sono chiamate isomeri e ne sono un esempio il glucosio e il fruttosio.

Tra le molecole di grande importanza biologica formate dal carbonio ci sono i monosaccaridi. Queste molecole hanno una composizione e una struttura caratteristica: una catena carboniosa che contiene da tre a sette atomi di carbonio; un atomo di carbonio che porta il gruppo carbonilico (C=O); tutti gli altri atomi di carbonio che legano il gruppo ossidrilico (-OH).

I monosaccaridi si differenziano tra loro in base al numero di atomi di carbonio e per la posizione del gruppo carbonilico. Si dicono chetoni i monosaccaridi che hanno il gruppo carbonilico al secondo posto della catena, aldeidi se si trova all'inizio. I monosaccaridi si possono presentare in due forme: lineare o ad anello. La forma ad anello è più stabile nelle condizioni in cui vivono le cellule e quindi si incontra più frequentemente. Altri isomeri importanti si differenziano per il numero di atomi di carbonio. Gli esosi sono formati da sei atomi e il glucosio ne è un esempio. Se le catene sono formate da cinque atomi di carbonio sono detti pentosi; due di essi, il ribosio e il desossiribosio, formano l'impalcatura per gli acidi nucleici dell'RNA e del DNA. Gli zuccheri che si trovano in natura hanno una configurazione destrogira.

Un altro gruppo di molecole che svolge un ruolo fondamentale sono gli amminoacidi. Alla base delle proteine, gli amminoacidi sono composti da un gruppo amminico (−${\ce {NH2}}$) e da un gruppo carbossilico (-COOH) legati ad un atomo di carbonio α in configurazione levogira e da una catena laterale, detta gruppo radicale (gruppo R). Il gruppo R contiene importanti gruppi funzionali dai quali dipendono sia la struttura tridimensionale sia le specifiche proprietà chimiche dell'aminoacido. In natura si possono riconoscere una ventina di amminoacidi utilizzati per la sintesi proteica dalle cellule.

Altre biomolecole alla base della vita sono i lipidi. Esistono diverse classi di lipidi ma sono tutte accomunate dalla caratteristica di essere idrofobici. I grassi possono essere saturi, se presentano solo legami singoli tra atomi di carbonio, o insaturi, se contengono uno o più legami doppi. Quando tre acidi grassi si legano a una molecola di glicerolo tramite un legame estere (C-O) si forma un trigliceride, che ha la funzione di deposito di energia. Quando uno degli acidi grassi viene sostituito da un composto formato da un gruppo fosfato si viene a formare un fosfolipide. Nei fosfolipidi il gruppo funzionale fosfato presenta una carica negativa, perciò questa parte di molecola è idrofila. In ambiente acquoso i fosfolipidi tendono ad allinearsi in modo tale da rivolgere il gruppo fosfato, la "testa", verso l'acqua, mentre le "code", formate dai grassi, tendono a radunarsi l'una vicino all'altra formando così un doppio strato fosfolipidico. Le membrane biologiche hanno questo tipo di struttura. Altre classi di lipidi sono i carotenoidi, un pigmento responsabile dell'assorbimento della luce nelle piante, e gli steroidi, dei composti organici contraddistinti da uno scheletro ad anelli che hanno messo in comune alcuni atomi di carbonio e hanno funzioni strutturali, come ad esempio il colesterolo, oppure ormonali.

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

Formazione di molecole nello spazio

La materia organica è un costituente fondamentale dei sistemi viventi e rappresenta una delle sostanze inanimate dalle quali la vita si è sviluppata sulla terra primordiale. La produzione di materia organica nello spazio risulta complicata a causa della bassa densità del mezzo interstellare e per la presenza della radiazione UV che porta a una rapida dissociazione delle molecole più complesse. Intorno alle supergiganti rosse ricche di carbonio avviene la produzione di idrocarburi aromatici, questi vengono espulsi dal vento stellare e poi catturati da nubi di polveri e gas, con basse temperature ed alta estinzione, che scherma la radiazione, impedendone la dissociazione. Le temperature che caratterizzano le nubi non permettono i processi chimici noti tra molecole neutre, reazioni che procederebbero a velocità talmente basse da non poter spiegare in alcun modo le abbondanze molecolari osservate. Bisogna quindi considerare le reazioni che avvengono tra specie ionizzate, con conseguente interazione elettromagnetica tra le particelle. La ionizzazione delle particelle si verifica in generale per l'interazione con fotoni e raggi cosmici. Lo ione ${\ce {H+}}$è di fondamentale importanza, poiché costituisce uno dei punti di partenza della chimica in fase gassosa, tramite un tipo di reazione che va sotto il nome di reazioni di trasferimento di carica.

Altro fattore molto importante è la presenza di grani di polvere. Tali particelle hanno una struttura irregolare che svolge un duplice ruolo: di schermatura dalla radiazione, dalla λ minore delle dimensioni dei grani e da catalizzatore per la sintesi di nuove molecole attraverso molteplici tipi di reazioni chimiche.

Bibliografia

• Francesco Caregnato, memento mori, LaSola, 2018.