C è nessuno là fuori? Un arca di vita Teach article

Traduzione di: Attilia Dente. La collisione di una meteorite gigante e poi un volo di pietre da Marte. È così che è apparsa la vita sulla Terra? Illustrandoci la teoria della Lito-panspermia Cornelia Meyer ci guida in un viaggio nello spazio e ci spiega come lei e i suoi colleghi studenti…

Il 7 agosto del 1996, gli scienziati della NASA annunciarono che nella meteorite Marziana ALH84001, ritrovata ad Allan Hills, nell’Antartide, erano state rinvenute delle strutture che somigliavano a microscopici batteri fossili. Anche se gli scienziati non si mostrano d’accordo sul significato della Meteorite di Allan Hills, la questione resta: c’era vita su Marte?

Quando le comete e gli asteroidi entrano in collisione con i pianeti, possono staccare dei frammenti di roccia che poi vengono lanciati nello spazio e che a volte, come è successo per la meteorite di Allan Hills, atterrano su altri pianeti sottoforma di meteoriti (vedi glossario). Questo ha dato luogo a diverse ipotesi. Potrebbe esser vero che le prime forme di vita si siano formate non sulla Terra ma su Marte? O addirittura su un altro pianeta lontano? Se è così, potrebbero essere state le meteoriti a portare la vita sulla Terra?

Nel 2007, io e altri tre dottorandi, Ralf Moeller, Thomas Berger e Jean Pierre de Vera, decidemmo di andare a fondo della questione, nota come Teoria della lito-panspermia (vedi l’immagine sopra), suddividendo l’indagine in tre fasi:

1. Il lancio nello spazio di organismi viventi, a bordo di una meteorite.
2. Gli effetti di un viaggio nello spazio sugli organismi viventi.
3. La loro sopravvivenza quando entrano nell’atmosfera terrestre e vi atterrano.

La teoria della lito-panspermia è solida come una roccia?

A proporre una teoria della lito-panspermia(dal greco: lithos=roccia, pan=tutto, sperma=origine), è stato uno scienziato svedese,Svante Arrhenius, nel 1903. Anche se la teoria non è ampiamente accettata, ci sono diverse prove che la confermano

• L’esistenza di meteoriti lunari e marziane sulla Terra
• La presenza di materiali organici e (forse) fossili microbici sulla meteorite di Allan Hills ( vedi immagine)
• Il fatto che le grandi comete o gli asteroidi, quando entrano in collisione con un pianeta, lanciano pezzi di roccia con tanta rapidità da superare la gravità e lasciare il pianeta ( come le meteoroidi)
• La capacità delle spore batteriche di sopravvivere alle onde d’urto prodotte da una simile collisione
• La resistenza ai raggi UV dei microorganismi alle basse temperature dello spazio
• La sopravvivenza delle spore batteriche, per milioni di anni, nell’ambra o nel sale
• La sopravvivenza delle spore batteriche nello spazio per un periodo di circa sei anni
• Le prove paleogeochimiche a sostegno della presenza di antichi ecosistemi microbici sulla Terra, che hanno subito l’evoluzione da semplici molecole precursori a vita cellulare solo, all’incirca, 400 milioni di anni

1. Il viaggio ha inizio

Nelle nostre tesi di master e di dottorato, abbiamo studiato la fattibilità della prima fase: la fase di lancio, in cui del materiale vivente viene lanciato nello spazio in seguito alla collisione di una meteorite con un pianeta (Horneck et al, 2008; Stöffler et al, 2007). Per simulare questa fase, abbiamo preso due lamine di roccia (che abbiamo considerato simili alle rocce presenti su Marte)e abbiamo messo uno strato di microorganismi tra di loro; successivamente abbiamo messo questo “sandwich” in un cilindro di ferro e infine lo abbiamo fatto saltare in aria con del TNT.

Avevamo delle buone ragioni ad usare dei microorganismi in questo esperimento. È risaputo che sulla Terra soltanto i microbi sopravvivono in ambienti estremamente ostili. Per questo essi erano maggiormente in grado di resistere all’esperimento. Quindi, in quanto semplici organismi, possono essere simili alle prime forme di vita presenti su Marte. Per l’esperimento abbiamo scelto i seguenti microorganismi: spore batteriche, cianobatteri e licheni che vivono dentro o sulle rocce e sono noti perché sopravvivono alle condizioni spaziali simulate.

Inoltre, abbiamo scelto le rocce con attenzione. Per sapere se una meteorite ha origine da Marte, si confronta la sua composizione con quella delle rocce studiate sulla superficie di Marte. Le meteoriti marziane, che più frequentemente si trovano sulla Terra, sono le shergottite basaltiche, che si formano dall’attività vulcanica. Inoltre, per il nostro esperimento, abbiamo usato il basalto: è facile da trovare sulla Terra ed è simile alla roccia marziana.

In diversi esperimenti, le esplosioni con TNT hanno esposto i microorganismi a pressioni tra i 50 000 e 500 000 bar. Queste pressioni sono simili a quelle che verrebbero prodotte dalle collisioni delle meteoriti con Marte, formando dei crateri con un diametro più grande di 75 km e lanciando rocce marziane nello spazio. Inoltre, la compressione dell’esplosione ha esposto i microorganismi a temperature che arrivano fino a 1000 °C. Sebbene ci si aspetti che queste condizioni distruggano la vita, a 400 000 bar (400 000 volte la pressione normale dell’aria) lo 0,02% dei microorganismi era riuscito a sopravvivere.

Al giorno d’oggi, le temperature su Marte variano dai 143 °C dei Poli fino ai 27 °C dell’Equatore. Nonostante in passato Marte fosse più caldo di oggi, si sarebbe raffreddato più velocemente della Terra, perché aveva perso la sua atmosfera. Questo vuol dire che al momento del presunto trasferimento della vita da Marte alla Terra (fino a 20 milioni di anni fa), probabilmente Marte aveva già raggiunto le temperature attuali. Successivamente, in un secondo esperimento, per simulare meglio le condizioni su Marte, abbiamo usato del ghiaccio secco (biossido di carbonio solido) per raffreddare l’impianto a -80 °C prima di farlo esplodere e abbiamo scoperto che alcuni dei microorganismi sono sopravvissuti persino a 500 000 bar. Nell’esperimento precedente, in cui non avevamo raffreddato l’impianto, nessuno era sopravvissuto alla pressione.

Durante gli esperimenti, i microorganismi sono stati esposti a temperature e pressioni molto alte solo per una manciata di microsecondi, così come accadrebbe se una meteorite entrasse in collisione con Marte. Questa potrebbe essere la chiave della sopravvivenza. Per questo motivo, il primo punto della teoria della lito-panspermia sembra essere valida: gli organismi sulle rocce potrebbero sopravvivere al lancio nello spazio.

2. Viaggio nello spazio: il concorso per studenti ESA SUCCESS

Successivamente, abbiamo deciso di partecipare a un concorso per avere l’opportunità di approfondire il secondo punto della teoria: gli organismi viventi potrebbero sopravvivere alla radiazione cosmica, estremamente fredda, e al vuoto durante un lungo viaggio nello spazio? Il concorso per studenti SUCCESS^w1, organizzato dall’ESA (European Space Agency: Agenzia Spaziale Europea) ci ha dato la possibilità di condurre un esperimento a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS: International Space Station) nel novembre del 2009.

Fin dagli anni ‘80, numerosi esperimenti dimostrano che i microorganismi sono capaci di sopravvivere nello spazio (cfr. Mileikowsky et al, 2000). Comunque, i microorganismi di questi esperimenti sono stati protetti dalla radiazione dall’alluminio oppure sono rimasti solo pochi giorni nello spazio. Ma quanto tempo potrebbero sopravvivere nello spazio? Vorremmo usare l’ISS per un’indagine più realistica sugli effetti che le condizioni dello spazio hanno sugli organismi viventi.

Abbiamo proposto di costruire una meteorite artificiale piena di microorganismi e sensori per misurare i raggi cosmici e la temperatura. Un pezzo di roccia basaltica verrà suddivisa in otto lamine, con delle cavità per i microorganismi e i sensori. Le cavità saranno chiusi con roccia e le lamine verranno assemblate insieme in una struttura ermetica. La meteorite artificiale sarà trasportata sull’ISS, montata su una piattaforma di alluminio fuori la Stazione ed esposta alle condizioni dello spazio per sei mesi. Per controllare il tutto, sulla Terra verrà installata una seconda meteorite artificiale.

Una volta che la meteorite farà ritorno sulla Terra, i biologi Ralf and Jean-Pierre determineranno il tasso di sopravvivenza dei microorganismi e ricercheranno i cambiamenti fisiologici provocati dalle condizioni spaziali. In qualità di mineralogista del team, studierò gli effetti dell’azione degli agenti atmosferici spaziali (space weathering) sulla meteorite artificiale. Space weathering (azione degli agenti atmosferici spaziali) è un termine generale che sta ad indicare quei processi, comprendenti la radiazione cosmica, i venti solari e il bombardamento di meteoriti, che agiscono sui corpi che si trovano nel freddo ambiente spaziale. Inoltre, metteremo a confronto le proprietà fisiche della meteorite artificiale con quelle della roccia rimasta sulla Terra.

Oltre a fornire prove a sostegno della teoria della lito-panspermia, questi risultati potrebbero fornire informazioni sugli effetti dello space weathering sulle proprietà ottiche della roccia. Queste proprietà sono importanti per lo studio degli asteroidi, mentre la spettroscopia ottica è usata per definire la loro composizione base. Inoltre, conoscere più approfonditamente gli effetti dello space weathering potrebbe aiutare gli scienziati a stabilire se le meteoriti trovate sulla Terra e gli asteroidi osservati nello spazio provengono dagli stessi corpi madre.

3. Un nuovo esperimento? L’atterraggio morbido

Anche se le prime due parti della teoria della lito-panspermia sono attendibili, ossia che i microorganismi potrebbero sopravvivere al decollo dal loro pianeta di origine e a un lungo viaggio nello spazio, la domanda resta: potrebbero sopravvivere anche su un altro pianeta? Gli astrobiologi del Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt^w2. (German Aerospace Center) hanno affermato che i microorganismi terrestri potrebbero sopravvivere su Marte per qualche tempo. Questo significa che le forme di vita marziane potrebbero sopravvivere sulla Terra, sempre se riescono a resistere alla collisione. A ogni modo, finora sappiamo molto poco su cosa accadrebbe se una meteorite, con a bordo organismi viventi, approdasse sulla Terra. Comunque abbiamo diverse informazioni che ci permettono di fare delle ipotesi.

Quando gli oggetti entrano nell’atmosfera terrestre ad alta velocità, le loro superfici si ritrovano esposte a temperature molto alte a causa della frizione. Comunque, sebbene le temperature degli strati esterni della meteorite siano abbastanza alte da sciogliere, o persino vaporizzare, la roccia, la parte interna della meteorite possiede una temperatura vicina ai -273 °C (0 K) rilevati nello spazio.

Molto spesso le meteoriti si rompono quando colpiscono il suolo. Se alcuni organismi sopravvivessero all’interno della meteorite, protetti dalle alte temperature della superficie, di conseguenza verrebbero rilasciati e potrebbero iniziare a colonizzare la Terra. Questi si troverebbero a contatto con una temperatura anomala per loro: dai -273 °C del cuore della meteorite passerebbero alla temperatura ambiente della Terra. Ma si sa che i microorganismi riescono a sopravvivere ai rapidi cambiamenti di temperatura.

Prove a favore della lito-panspermia?

Anche se i microorganismi fossero riusciti a superare le tre fasi della teoria della lito-panspermia, non ci sono prove a supporto di un’origine extraterrestre della vita. Soprattutto, non sappiamo veramente se c’è vita al di là del nostro pianeta, ma la ricerca di vita extraterrestre continua. E continuano anche le speculazioni sulle nostre origini.

References

• Horneck G et al (2008) Microbial rock inhabitants survive impact and ejection from host planet: first phase of lithopanspermia experimentally tested. Astrobiology 8: 17-44
• Mileikowsky C et al (2000) Natural transfer of viable microbes in space. Part 1: From Mars to Earth and Earth to Mars. Icarus 145: 391-427
• Stöffler D et al (2007) Experimental evidence for the potential impact ejection of viable micro-organisms from Mars and Mars-like planets. Icarus 186: 585-588

Web References

• w1 – Potete trovare i dettagli del concorso ESA SUCCESS alla pagina web: www.esa.int/esaHS/SEMU9TGHZTD_education_0.html
• w2 – Per maggiori informazioni sul Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), potete consultare la pagina web: www.dlr.de/en
• Per maggiori informazioni sul progetto del gruppo riguardante la sopravvivenza dei microorganismi su Marte, potete consultare la pagina web: www.dlr.de/me/en/desktopdefault.aspx/tabid-2016
• w3 – Per maggiori informazioni sul Museo di Storia Naturale di Berlino (Germania), potete consultare la pagina web: www.naturkundemuseum-berlin.de/index_english.html

Resources

• Astrobiology Lecture Course Network: http://streamiss.spaceflight.esa.int/?pg=production&PID=alcn
• Per maggiori informazioni sulla panspermia potete consultare i seguenti link:www.karlsims.com/panspermia.htmlewww.archive.org/details/sims_panspermia_1990
• Hartevelt S, Walker C (2008) La Stazione Spaziale Internazionale: un appoggio nello spazio. Science in School 9. www.scienceinschool.org/2008/issue9/iss/italian
• Marinova M (2008) Vita su Marte: “terraformare” il Pianeta Rosso. Science in School 8. www.scienceinschool.org/2008/issue8/terraforming/italian
• Wegener A-L (2008) Un laboratorio nello spazio: intervista con Bernardo Patti. Science in School 8. www.scienceinschool.org/2008/issue8/bernardopatti/italian
• Warmbein B (2007) Rientrato a Terra: intervista a Thomas Reiter. Science in School 5. www.scienceinschool.org/2007/issue5/thomasreiter/italian
• Warmbein B (2006) Launching a dream: the first European student satellite in orbit. Science in School 1: 49-51. www.scienceinschool.org/2006/issue1/sseti

Institutions

Author(s)

When the group began the experiments, Cornelia Meyer was studying for a Master’s degree in mineralogy at the Museum of Natural Historyw3 in Berlin, Germany. Ralf Moeller (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR – the German Aerospace Centre) and Jean-Pierre de Vera (University of Düsseldorf, Germany) were working towards PhDs in biology. Thomas Berger was studying for a PhD in physics at the DLR. Cornelia is now a PhD student while the others are doing postdoctoral research.

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