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gli ingredienti dell'Universo

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8. l'Universo e gli ingredienti della vita

Gli atomi che compongono il nostro corpo, la Terra e i pianeti del Sistema Solare sono stati prodotti all'interno delle stelle e si sono dispersi nello spazio durante l'esplosione delle supernovae. La massa di tutti gli elementi più pesanti dell'elio è all'incirca il 2% della massa di idrogeno ed elio esistenti, mentre la massa totale degli elementi più pesanti del ferro è solo l'1% della massa totale degli elementi dal litio al ferro.


L'abbondanza chimica degli elementi

Le nubi molecolari

Lockyer scoprì nello spazio interstellare particelle solide. Di solito nello spazio vuoto tra le stelle c'è in media 1 atomo ogni 15 cm³ (in gran parte idrogeno), ma nelle nubi dalle quali si formano le stelle troviamo densità ben più alte, 10.000 atomi in 15 cm³. In queste nubi sono state trovate molecole semplici e complesse, per questo motivo vengono dette nubi molecolari. Gli atomi riescono si uniscono grazie alla polvere, che proteggendo dalla luce ultravioletta evitano la distruzione dei composti chimici. Uno dei composti più comuni che presenti nella nube molecolare è l'acqua: l'idrogeno è l'elemento più comune, l'ossigeno è il 3° elemento dopo H e He, quindi dovrebbe esserci vapore acqueo, condensato direttamente in ghiaccio sui grani di polvere. In questo caso le molecole polari dell'acqua fanno sì che i granelli si attraggano.


A sinistra la nube molecolare Barnard 68 (FORS Team, VLT, ESO)
 A destra molecole polari di acqua

I primi composti rilevati nello spazio furono CH e CN, nel 1963 l'idrossile (OH-), nel 1968 l'ammoniaca (NH4+) verso il centro della Galassia, poi vennero scoperti l'acqua (H2O) e la formaldeide (H2CO). Fino ad ora sono state viste oltre 150 molecole nelle nubi molecolari giganti: da NO, SiO, HCN, SO2, HC2H, HCOOH (acido formico) a molecole più grandi.

Oltre il 90% delle stelle ha un piccola massa e produce carbonio e ossigeno: nelle stelle ricche di ossigeno si formano ossidi, nelle stelle al carbonio si producono CO e CN. Nei venti stellari si formano molecole stabili come H2CO, CH3CN, HC11N; i prodotti delle stelle dispersi nello spazio si mescolano con l'idrogeno creando la materia prima per i pianeti, molecole organiche e ossidi come l'acqua (H2O), gli ossidi di silicio (SiO2), il corindone amorfo (ossido di alluminio) e lo spinello (mescolanza di ossidi di alluminio con magnesio e ferro), tutti elementi che ritroviamo nella composizione dei pianeti. Il composto più comune nei granelli di polvere è il carburo di silicio (SiC), ma ci sono sostanze non identificate che potrebbero essere molecole ad anello (composti aromatici come benzene o acetilene) o sostanze simili al carbone (il kerogene, simile al carbone, è stato ritrovato nei meteoriti, che sono rappresentativi della nube da cui si è formato il Sistema Solare). 

Gli ingredienti della vita

Dei 90 elementi naturali nel corpo umano se ne trovano circa 50, poco più della metà. Di questi 50 elementi solamente sei (ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, calcio e fosforo) costituiscono oltre il 98% in peso e il solo ossigeno rappresenta più del 60% della massa corporea totale dell'uomo medio di riferimento.

 

La vita che noi conosciamo è fondata sul carbonio, e il carbonio è importante per la vita per due ragioni:

  1. un atomo di carbonio può stabilire 4 legami indipendenti con altri atomi, può formare anche legami doppi o tripli, ed è in grado di costruire lunghe catene

  2. il carbonio è un elemento chimico relativamente comune perché viene fuso solo nelle stelle massicce. 

La vita utilizza i quattro elementi più comuni dell'Universo escluso l'elio: carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N), gli altri sono meno usati in proporzione alla loro diffusione, con una eccezione, il fosforo, che è il 5° elemento in massa per importanza biologica, perché è in grado di legarsi contemporaneamente anche con 5 atomi.

Tra i composti essenziali per la nostra vita ci sono le proteine e gli acidi nucleici, costituiti da lunghe catene. Le proteine sono composte da amminoacidi, che costituiscono circa metà della massa del materiale biologico. Gli amminoacidi sono costituiti dai quattro elementi più comuni ( H C O N), e in alcuni è presente lo zolfo (S). Il fatto che sulla Terra le proteine siano costituite solo da 20 amminoacidi è un indizio che la vita dovrebbe avere una origine comune. I componenti degli acidi nucleici sono zuccheri (detti DNA e RNA), i cui mattoni sono il ribosio o il desossiribosio e un gruppo di fosfati. Un altro composto essenziale è l'adenosia-trifosfato (ATP), che serve per immagazzinare energia nelle cellule viventi e fornisce la forza per la contrazione muscolare.

L'abbondanza di molecole complesse identificate nello spazio fa pensare che la vita sulla Terra possa essere provenuta dallo spazio. Tutti i reagenti usati per sintetizzare gli amminoacidi sono stati trovati nelle nubi molecolari giganti, molti meteoriti contengono fosforo legato al ferro e al nichel, inoltre sono stati trovati amminoacidi, acido carbossilico e zuccheri come la glicerina e il glucosio. Inoltre la vita sulla Terra usa quasi esclusivamente amminoacidi levogiri per le proteine e zuccheri destrogiri per gli acidi nucleici: negli anni '90 gli astrobiologi hanno scoperto che anche gli amminoacidi sui meteoriti sono levogiri, e forse la spiegazione sta nel fatto che è la luce circolarmente polarizzata proveniente dallo spazio ad eliminare un particolare orientamento. Quindi è possibile che i mattoni della vita esistessero già nella nube molecolare da cui si sono formati il Sole e i pianeti.

Ma probabilmente il modo migliore per ricevere materiale organico sono le comete, che contengono grandi quantità di acqua e composti del carbonio e che perdono parte della loro massa quando passano vicino al Sole. Nella prima fase del Sistema Solare molte comete sono cadute sul nostro pianeta (si pensa che l'acqua dei nostri oceani si sia depositata allora) e ancora oggi l'incontro delle orbite cometarie provocano sulla Terra sciami di meteoriti: riceviamo dalle comete circa 300 tonnellate di materiale organico all'anno. 

noi siamo figli delle stelle!

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