ASTROBIOLOGIA: STORIA, OGGETTO DI STUDIO E IMPORTANZA - BIOLOGIA

L' astrobiologia o esobiologia è una branca della biologia che si occupa dell'origine, della distribuzione e delle dinamiche della vita nel contesto sia del nostro pianeta, che dell'intero universo. Potremmo quindi dire che, come scienza, l'astrobiologia sta all'universo, ciò che la biologia sta al pianeta Terra.

A causa dell'ampio spettro di azione dell'astrobiologia, altre scienze convergono in essa come: fisica, chimica, astronomia, biologia molecolare, biofisica, biochimica, cosmologia, geologia, matematica, informatica, sociologia, antropologia, archeologia, tra le altre.

Figura 1. Interpretazione artistica della connessione tra la vita e l'esplorazione dello spazio. Fonte: NASA / Cheryse Triano

L'astrobiologia concepisce la vita come un fenomeno che potrebbe essere "universale". Si occupa dei loro possibili contesti o scenari; i suoi requisiti e le sue condizioni minime; i processi coinvolti; i suoi processi espansivi; tra gli altri argomenti. Non si limita alla vita intelligente, ma esplora ogni possibile tipo di vita.

Storia dell'astrobiologia

La storia dell'astrobiologia risale forse agli inizi dell'umanità come specie e alla sua capacità di interrogarsi sul cosmo e sulla vita sul nostro pianeta. Da lì nascono le prime visioni e spiegazioni che ancora oggi sono presenti nei miti di molti popoli.

La visione aristotelica

La visione aristotelica considerava il Sole, la Luna, il resto dei pianeti e delle stelle, come sfere perfette che orbitavano intorno a noi, formando cerchi concentrici intorno a noi.

Questa visione ha costituito il modello geocentrico dell'universo ed è stata la concezione che ha segnato l'umanità durante il Medioevo. Probabilmente non poteva avere senso, in quel momento, la questione dell'esistenza di "abitanti" al di fuori del nostro pianeta.

La visione copernicana

Nel Medioevo, Nicolás Copernicus propose il suo modello eliocentrico, che poneva la Terra come un pianeta in più, che ruota attorno al sole.

Questo approccio ha profondamente influenzato il modo di guardare al resto dell'universo e persino di guardare noi stessi, dal momento che ci ha messo in un luogo che forse non era così "speciale" come avevamo pensato. Poi la possibilità dell'esistenza di altri pianeti simili al nostro e, con essa, di una vita diversa da quella che conosciamo.

Figura 2. Il sistema eliocentrico di Copernico. Fonte: dominio pubblico, tramite Wikimedia Commons

Prime idee di vita extraterrestre

Lo scrittore e filosofo francese Bernard le Bovier de Fontenelle già alla fine del XVII secolo proponeva che la vita potesse esistere su altri pianeti.

A metà del XVIII secolo, molti degli studiosi associati all'Illuminismo scrivevano di vita extraterrestre. Persino i principali astronomi dell'epoca come Wright, Kant, Lambert e Herschel pensavano che i pianeti, le lune e persino le comete potessero essere abitati.

È così che iniziò il diciannovesimo secolo con la maggioranza di scienziati accademici, filosofi e teologi, che condividevano la convinzione dell'esistenza della vita extraterrestre su quasi tutti i pianeti. All'epoca questo era considerato un valido presupposto, basato su una crescente comprensione scientifica del cosmo.

Le differenze schiaccianti tra i corpi celesti del sistema solare (per quanto riguarda la loro composizione chimica, atmosfera, gravità, luce e calore) furono ignorate.

Tuttavia, con l'aumentare della potenza dei telescopi e con l'avvento della spettroscopia, gli astronomi furono in grado di iniziare a comprendere la chimica delle atmosfere planetarie vicine. Pertanto, si potrebbe escludere che i pianeti vicini fossero abitati da organismi simili a quelli terrestri.

Oggetto di studio dell'astrobiologia

Astrobiology si concentra sullo studio delle seguenti domande di base:

Cos'è la vita?
Come è nata la vita sulla Terra?
Come si evolve e si sviluppa la vita?
C'è vita altrove nell'universo?
Qual è il futuro della vita sulla Terra e altrove nell'universo, se esiste?

Da queste domande nascono molte altre domande, tutte relative all'oggetto di studio dell'astrobiologia.

Marte come modello per lo studio e l'esplorazione dello spazio

Il pianeta rosso, Marte, è stato l'ultimo baluardo di ipotesi di vita extraterrestre all'interno del sistema solare. L'idea dell'esistenza della vita su questo pianeta è nata inizialmente dalle osservazioni fatte dagli astronomi tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo.

Sostenevano che i segni sulla superficie marziana fossero in realtà canali costruiti da una popolazione di organismi intelligenti. Questi modelli sono ora considerati il prodotto del vento.

Le missioni

Le sonde spaziali Mariner esemplificano l'era spaziale iniziata alla fine degli anni 50. Quest'era ha reso possibile visualizzare ed esaminare direttamente le superfici planetarie e lunari all'interno del sistema solare; escludendo così le rivendicazioni di forme di vita extraterrestri multicellulari e facilmente riconoscibili nel sistema solare.

Nel 1964 la missione Mariner 4 della NASA inviò le prime fotografie ravvicinate della superficie marziana, che mostravano un pianeta fondamentalmente deserto.

Tuttavia, le successive missioni su Marte e sui pianeti esterni hanno permesso una visione dettagliata di quei corpi e delle loro lune e, specialmente nel caso di Marte, una comprensione parziale della loro storia iniziale.

In vari contesti extraterrestri, gli scienziati hanno trovato ambienti non molto diversi dagli ambienti abitati sulla Terra.

La conclusione più importante di queste prime missioni spaziali è stata la sostituzione di ipotesi speculative con prove chimiche e biologiche, che ne consentono lo studio e l'analisi oggettiva.

C'è vita su Marte? La missione

In primo luogo, i risultati delle missioni Mariner supportano l'ipotesi dell'inesistenza di vita su Marte. Tuttavia, dobbiamo considerare che si cercava la vita macroscopica. Le successive missioni hanno messo in dubbio l'assenza di vita microscopica.

Figura 3. Sonda orbitale e terrestre della missione Viking. Fonte: Don Davis, tramite Wikimedia Commons

Ad esempio, dei tre esperimenti progettati per rilevare la vita, effettuati dalla sonda di terra della missione Viking, due erano positivi e uno negativo.

Nonostante ciò, la maggior parte degli scienziati coinvolti negli esperimenti della sonda Viking concorda sul fatto che non ci sono prove di vita batterica su Marte e che i risultati sono ufficialmente inconcludenti.

Figura 4. Sonda di atterraggio (Lander) della missione Viking. Fonte: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona, tramite Wikimedia Commons

missioni

A seguito dei controversi risultati delle missioni Viking, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha lanciato nel 2003 la missione Mars Express, progettata specificamente per studi esobiologici e geochimici.

Questa missione includeva una sonda chiamata Beagle 2 (omonima della nave su cui viaggiò Charles Darwin), progettata per cercare segni di vita sulla superficie poco profonda di Marte.

Questa sonda purtroppo ha perso il contatto con la Terra e non ha potuto svolgere la sua missione in modo soddisfacente. Un destino simile ha avuto la sonda della NASA "Mars Polar Lander" nel 1999.

Missione

Dopo questi tentativi falliti, nel maggio 2008, la missione Phoenix della NASA ha raggiunto Marte, ottenendo risultati straordinari in soli 5 mesi. I suoi principali obiettivi di ricerca erano esobiologici, climatici e geologici.

Questa sonda è stata in grado di dimostrare l'esistenza di:

Neve nell'atmosfera di Marte.
Acqua sotto forma di ghiaccio sotto gli strati superiori di questo pianeta.
Suoli basici con pH compreso tra 8 e 9 (almeno nella zona prossima alla discesa).
Acqua liquida sulla superficie di Marte in passato

L'esplorazione di Marte continua

L'esplorazione di Marte continua ancora oggi, con strumenti robotici ad alta tecnologia. Le missioni Rovers (MER-A e MER-B) hanno fornito prove impressionanti dell'esistenza di attività acquatica su Marte.

Ad esempio, sono state trovate prove di acqua dolce, sorgenti bollenti, un'atmosfera densa e un ciclo dell'acqua attivo.

Figura 5. Disegno del Rover MER-B (Opportunity) sulla superficie di Marte. Fonte: NASA / JPL / Cornell University, Maas Digital LLC, tramite Wikimedia Commons

Su Marte è stata ottenuta la prova che alcune rocce sono state modellate in presenza di acqua liquida, come la Jarosite, rilevata dal Rover MER-B (Opportunity), attivo dal 2004 al 2018.

Il Rover MER-A (Curiosity) ha misurato le fluttuazioni stagionali del metano, da sempre correlato all'attività biologica (dati pubblicati nel 2018 sulla rivista Science). Ha anche trovato molecole organiche come tiofene, benzene, toluene, propano e butano.

Figura 6. Fluttuazione stagionale dei livelli di metano su Marte, misurata dal Rover MER-A (Curiosity). Fonte: NASA / JPL-Caltech

C'era acqua su Marte

Sebbene la superficie di Marte sia attualmente inospitale, ci sono prove evidenti che in un lontano passato, il clima marziano consentiva all'acqua liquida, ingrediente essenziale per la vita come la conosciamo, di accumularsi sulla superficie.

I dati del Rover MER-A (Curiosity) rivelano che miliardi di anni fa, un lago all'interno del cratere Gale conteneva tutti gli ingredienti necessari alla vita, inclusi componenti chimici e fonti di energia.

Meteoriti marziane

Alcuni ricercatori considerano i meteoriti marziani come una buona fonte di informazioni sul pianeta, suggerendo addirittura che contengano molecole organiche naturali e persino microfossili di batteri. Questi approcci sono oggetto di dibattito scientifico.

Figura 7. Vista microscopica della struttura interna del meteorite ALH84001, che mostra strutture simili ai bacilli. Fonte: NASA, tramite Wikimedia Commons

Questi meteoriti provenienti da Marte sono molto rari e rappresentano gli unici campioni analizzabili direttamente del pianeta rosso.

Panspermia, meteoriti e comete

Una delle ipotesi che favorisce lo studio dei meteoriti (e anche delle comete), è stata chiamata panspermia. Ciò consiste nell'assunzione che in passato sia avvenuta la colonizzazione della Terra, da parte di microrganismi entrati all'interno di questi meteoriti.

Oggi ci sono anche ipotesi che suggeriscono che l'acqua terrestre provenisse da comete che hanno bombardato il nostro pianeta in passato. Inoltre, si ritiene che queste comete possano aver portato con sé molecole primordiali, che hanno permesso lo sviluppo della vita o addirittura la vita già sviluppata alloggiata al loro interno.

Recentemente, nel settembre 2017, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha completato con successo la missione Rosseta, lanciata nel 2004. Questa missione consisteva nell'esplorazione della cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko con la sonda Philae che l'ha raggiunta ed orbitava, per poi scendi. I risultati di questa missione sono ancora allo studio.

Importanza dell'astrobiologia

Il paradosso di Fermi

Si può dire che la domanda originale che motiva lo studio dell'Aastrobiologia è: siamo soli nell'universo?

Solo nella Via Lattea ci sono centinaia di miliardi di sistemi stellari. Questo fatto, unito all'età dell'universo, suggerisce che la vita dovrebbe essere un fenomeno comune nella nostra galassia.

A questo proposito è famosa la domanda posta dal fisico premio Nobel Enrico Fermi: "Dove sono tutti?", Che ha chiesto nel contesto di un pranzo, dove si è discusso del fatto che la galassia dovrebbe essere piena della vita.

La domanda ha finito per dare origine al Paradosso che porta il suo nome e che si esprime nel modo seguente:

Il programma SETI e la ricerca di intelligenza extraterrestre

Una possibile risposta al paradosso di Fermi potrebbe essere che le civiltà a cui pensiamo sono effettivamente lì, ma non le abbiamo cercate.

Nel 1960, Frank Drake insieme ad altri astronomi ha avviato un programma di ricerca per l'intelligenza extraterrestre (SETI).

Questo programma ha compiuto sforzi congiunti con la NASA, nella ricerca di segni di vita extraterrestre, come segnali radio e microonde. Le domande su come e dove cercare questi segnali hanno portato a grandi progressi in molti rami della scienza.

Figura 8. Radiotelescopio utilizzato dal SETI ad Arecibo, Porto Rico. Fonte: JidoBG, da Wikimedia Commons

Nel 1993 il Congresso degli Stati Uniti ha annullato i finanziamenti alla NASA per questo scopo, a causa di idee sbagliate sul significato di ciò che la ricerca implica. Oggi il progetto SETI è finanziato con fondi privati.

Il progetto SETI ha persino generato film di Hollywood, come Contact, con l'attrice Jodie Foster e ispirato all'omonimo romanzo scritto dal famoso astronomo Carl Sagan.

L'equazione di Drake

Frank Drake ha stimato il numero di civiltà con capacità di comunicazione, utilizzando l'espressione che porta il suo nome:

N = R * xf _p xn _e xf _l xf _io xf _c x L

Dove N rappresenta il numero di civiltà con la capacità di comunicare con la Terra ed è espresso in funzione di altre variabili quali:

R *: il tasso di formazione di stelle simili al nostro sole
f _p : la frazione di questi sistemi stellari con i pianeti
n _e : il numero di pianeti simili alla Terra per sistema planetario
f _l : la frazione di questi pianeti in cui si sviluppa la vita
f _i : la frazione in cui nasce l'intelligenza
f _c : la frazione di pianeti comunicativamente adatti
L: l'aspettativa di "vita" di queste civiltà.

Drake ha formulato questa equazione come uno strumento per "dimensionare" il problema, piuttosto che come un elemento per fare stime concrete, poiché molti dei suoi termini sono estremamente difficili da stimare. Tuttavia, vi è consenso sul fatto che il numero che tende a lanciare sia grande.

Nuovi scenari

Dobbiamo notare che quando è stata formulata l'equazione di Drake, c'erano pochissime prove di pianeti e lune al di fuori del nostro sistema solare (esopianeti). Fu negli anni '90 che apparvero le prime prove di esopianeti.

Figura 9. Telescopio Kepler. Fonte: NASA, tramite Wikimedia Commons

Ad esempio, la missione Kepler della NASA ha rilevato 3.538 esopianeti candidati, di cui almeno 1.000 sono considerati nella "zona abitabile" del sistema in esame (distanza che consente l'esistenza di acqua liquida).

Astrobiologia ed esplorazione dei confini della Terra

Uno dei pregi dell'astrobiologia è che ha ispirato, in larga misura, il desiderio di esplorare il nostro pianeta. Ciò con la speranza di comprendere per analogia il funzionamento della vita in altri contesti.

Ad esempio, lo studio delle prese d'aria idrotermali sul fondo dell'oceano ci ha permesso di osservare, per la prima volta, la vita non associata alla fotosintesi. Cioè, questi studi ci hanno mostrato che possono esistere sistemi in cui la vita non dipende dalla luce solare, che era sempre stata considerata un requisito indispensabile.

Questo ci permette di ipotizzare possibili scenari per la vita su pianeti dove si può trovare acqua liquida, ma sotto spessi strati di ghiaccio, che impedirebbero l'arrivo della luce agli organismi.

Un altro esempio è lo studio delle valli aride dell'Antartide. Lì hanno ottenuto batteri fotosintetici che sopravvivono al riparo all'interno delle rocce (batteri endolitici).

In questo caso la roccia serve sia da appoggio che da protezione contro le avverse condizioni del luogo. Questa strategia è stata rilevata anche nelle saline e nelle sorgenti termali.

Figura 10. McMurdo Dry Valley in Antartide, uno dei luoghi della Terra più simili a Marte. Fonte: Dipartimento di Stato americano dagli Stati Uniti, tramite Wikimedia Commons

Prospettive di astrobiologia

La ricerca scientifica della vita extraterrestre finora non ha avuto successo. Ma sta diventando sempre più sofisticato poiché la ricerca astrobiologica produce nuove intuizioni. Il prossimo decennio di esplorazione astrobiologica vedrà:

Maggiori sforzi per esplorare Marte e le gelide lune di Giove e Saturno.
Una capacità senza precedenti di osservare e analizzare pianeti extrasolari.
Maggiore potenziale per progettare e studiare forme di vita più semplici in laboratorio.

Tutti questi progressi aumenteranno senza dubbio la nostra probabilità di trovare la vita su pianeti simili alla Terra. Ma forse, la vita extraterrestre non esiste o è così dispersa in tutta la galassia che non abbiamo quasi nessuna possibilità di trovarla.

Anche se quest'ultimo scenario è vero, la ricerca in astrobiologia amplia sempre più la nostra prospettiva di vita sulla Terra e il suo posto nell'universo.

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