Esercizi: L'origine della vita

Descrivi com'era la Terra primitiva all'epoca in cui comparve la vita: la sua atmosfera, i suoi oceani e la sua attività geologica.

Osserva lo schema dell'apparato con cui Miller e Urey realizzarono il loro famoso esperimento nel 1953. Identifica che cosa rappresentano le parti indicate con ?1 - ?4 (la miscela di gas, le scariche elettriche, l'acqua in ebollizione e la trappola di raccolta), spiega quali condizioni della Terra primitiva simularono in laboratorio e che tipo di molecole ottennero.

Che cos'è l'astrobiologia? Spiega che cosa studia e perché cercare vita fuori dalla Terra aiuta a capire l'origine della vita sul nostro pianeta.

Per secoli si credette che gli esseri viventi potessero nascere dalla materia inerte: vermi dalla carne in putrefazione o topi dai panni sporchi. Descrivi in che cosa consisteva l'ipotesi della generazione spontanea e spiega come la confutarono sperimentalmente Redi con i suoi vasi di carne, Spallanzani con i brodi bolliti e, soprattutto, Pasteur con i suoi palloni a collo di cigno.

Le ipotesi attuali sull'origine della vita comprendono la sintesi chimica nel «brodo primordiale», la panspermia e le sorgenti idrotermali del fondo oceanico. Riassumile brevemente e, successivamente, ordina e spiega i passaggi necessari per passare da molecole isolate alla prima cellula: comparsa di un materiale ereditario capace di copiarsi, formazione di molecole organiche complesse, comparsa del metabolismo e formazione di membrane.

Perché la ricerca di vita in altri mondi si concentra tanto sul trovare acqua liquida? Ragiona su quali proprietà dell'acqua la rendono così importante per gli esseri viventi.

Un rover di esplorazione su Marte fotografa una roccia sedimentaria con strutture laminari e a cupola finemente stratificate, visivamente identiche agli stromatoliti terrestri di $3\,500$ milioni di anni fa.

1. a) Giustifica perché la presenza di lamine sovrapposte non basta da sola a confermare l'esistenza di vita passata su Marte e quale analisi geochimica o isotopica (per esempio il rapporto tra $^{12}\text{C}$ e $^{13}\text{C}$) dovrebbe essere eseguita per fornire indizi a favore di un'origine biologica rispetto a un processo puramente inorganico.
2. b) Spiega la rilevanza biologica e ambientale che ebbero i cianobatteri formatori di stromatoliti nel cambiamento dell'atmosfera e nella precipitazione del ferro negli oceani della Terra primitiva.

Circa $2\,400$ milioni di anni fa, l'attività dei cianobatteri innescò la «Grande Ossidazione». Anche se oggi consideriamo l'ossigeno un gas indispensabile, per la biosfera di quel periodo fu un evento catastrofico.

1. a) Giustifica perché l'ossigeno libero ($O_2$) risultò letale per i microrganismi dominanti dell'epoca e quale vantaggio adattativo fondamentale ottennero gli organismi che svilupparono la respirazione cellulare aerobica.
2. b) Spiega il meccanismo per cui l'aumento di $O_2$ reagì con il metano atmosferico ($CH_4$) e provocò una glaciazione globale quasi totale (glaciazione Uroniana).
3. c) Deduci come la successiva formazione dello strato di ozono ($O_3$) a partire da questo ossigeno sia stata un fattore determinante per la successiva colonizzazione della superficie continentale da parte degli esseri viventi.

Un'agenzia spaziale pianifica una missione per rilevare possibili forme di vita microbica metabolicamente attiva (non fossile) nel Sistema solare e dispone dei seguenti dati su tre candidati:

• Marte: superficie sottoposta a intensa radiazione ultravioletta e a perclorati ossidanti. Presenza di picchi stagionali di metano (CH₄) nell'atmosfera e possibili accumuli di salamoie liquide a chilometri di profondità.

• Europa: oceano salino globale sotto una banchisa di ghiaccio spessa da 15 a 25 km, a diretto contatto con un fondale roccioso sottoposto alle forze di marea dovute alla gravità di Giove.

• Encelado: oceano sotterraneo globale che espelle nello spazio geyser continui attraverso fratture al polo sud. In questi pennacchi sono stati misurati vapore acqueo, sali, macromolecole organiche e diidrogeno gassoso (H₂).

Rispondi in modo motivato alle seguenti domande:

1. a) Prendendo come modello analogo gli ecosistemi delle dorsali oceaniche terrestri, giustifica perché il rilevamento congiunto di H₂ e acqua nei geyser di Encelado è considerato una prova indiretta fondamentale di abitabilità per i microrganismi chemiosintetici.
2. b) Confronta le difficoltà biologiche e ingegneristiche per raccogliere campioni utilizzabili su Europa rispetto a Encelado. Giustifica quale dei due mondi offre un vantaggio strategico per una sonda che possa effettuare solo voli orbitali senza posarsi sulla superficie.
3. c) Se il rover che esplora Marte rilevasse amminoacidi nel regolite superficiale, spiega perché questo dato non confermerebbe in modo conclusivo l'esistenza di vita passata o presente, e quale proprietà chimica (chiralità) dovrebbero analizzare gli scienziati per ottenere un indizio solido, anche se non definitivo, sul fatto che la loro origine sia biologica o puramente abiotica.

Sfida del tema. La storia della vita potrebbe ripetersi al di fuori del nostro ambiente? Trasformati in astrobiologo ed elabora una relazione tecnica argomentata che valuti il potenziale biologico di un esopianeta reale a partire dall'origine del cosmo e del sistema solare.

1. Raccolta di dati reali: accedi al database ufficiale NASA Exoplanet Archive o al Planetary Habitability Laboratory. Seleziona un esopianeta roccioso confermato (per esempio TRAPPIST-1 e o TRAPPIST-1 f) ed estrai i suoi dati: massa, raggio rispetto alla Terra e distanza orbitale ($d < 1,0\text{ UA}$), confrontandoli con la Terra ($1,0\text{ UA}$).

2. Tracciamento cosmochimico: progetta una tabella che colleghi i bioelementi fondamentali ($H$, $C$, $O$, $N$, $P$) presenti nei pianeti rocciosi con la loro origine fisica: Big Bang o nucleosintesi stellare precedente alla nascita del loro sistema planetario.

3. Valutazione sull'origine della vita: redigi una proposta argomentata (massimo $250$ parole) sostenendo se le condizioni di quel sistema permetterebbero un'evoluzione prebiotica simile a quella terrestre (atmosfera primitiva, sorgenti idrotermali e acqua liquida).

Verrà valutato:

• Estrazione rigorosa e confronto adeguato di dati astronomici reali.

• Collegamento coerente tra l'origine cosmica degli elementi e i bioelementi.

• Giustificazione scientifica solida sulla possibilità dell'origine della vita sull'esopianeta.