Le origini sono da sempre oggetto di narrazioni, miti, ipotesi, esperimenti, calcoli, studi che si completano reciprocamente e spesso si contraddicono. Pensando al nostro Universo, sembra che non ci siano parole adatte per definirne le origini, tanto che se ne parla come di un “Big Bang”, usando un termine inventato quasi per spregio da due astrofisici famosi.
Quattro forze fondamentali
Piero Ugliengo, chimico all’Università di Torino, inizia il suo racconto provando a farci immaginare, in poche pagine, la complessa storia che sostiene la nostra presenza oggi, in questo mondo. Come in ogni sintesi, il suo breve testo lascia aperti interrogativi, curiosità, problemi da risolvere altrove. Il Big Bang indica un evento ineffabile (indicibile) e inimmaginabile, un’origine in cui c’era tutto e non c’era niente, una temperatura altissima, un’energia senza forma che si “tras-formerà” in quello che oggi conosciamo. E poi l’espansione primordiale in cui, dal sistema compatto che si raffreddava perdendo energia-calore e rilasciando radiazione elettromagnetica, si venivano strutturando elementi diversi, plasma, quark, neutrini, fotoni, particelle elementari. Una traccia della radiazione elettromagnetica rilasciata circa 380.000 anni dagli inizi, chiamata radiazione cosmica di fondo, ancora pervade il nostro universo ed è stata rilevata quasi casualmente negli Stati Uniti da due astronomi (Penzias e Wilson) confermando le attuali teorie sulle origini.
Dalle nuvole di idrogeno alle stelle
Ogni trasformazione energetica agiva attraverso le quattro forze fondamentali della fisica e una, la forza nucleare forte, teneva uniti i quark all’interno di protoni e neutroni e permetteva la formazione della prima forma di materia, i nuclei atomici. Quando la temperatura scese a qualche migliaio di gradi centigradi, intorno a questi nuclei la forza elettromagnetica stabilizzava le nuvole elettroniche formando atomi in cui le cariche positive dei protoni nel nucleo erano equilibrate dalle cariche negative degli elettroni che ne erano attratti, mentre la radiazione elettromagnetica si propagava in forma di fotoni che davano luce a un universo che continuava a espandersi e raffreddarsi. Tra le masse delle grandi quantità di materia (sostanzialmente idrogeno) che via via si formavano, agiva la forza gravitazionale che le attraeva reciprocamente dando origine a nuvole di atomi sempre più compresse e sempre più calde, che prendevano forma nello spazio vuoto. Nelle nuvole di idrogeno la forza nucleare forte attivava processi di fusione generando nuclei di elio e liberando grandi quantità di energia. In questo modo la materia delle nuvole, compressa dalla forza gravitazionale, si compattava in stelle con massa molto maggiore del nostro Sole e raggiungeva temperature altissime. Qui i processi di fusione nucleare formavano nuovi elementi, tra gli altri il carbonio.
Stelle e supernove
Nelle stelle, a seconda della loro grandezza e in condizioni energetiche appropriate e complesse, le fusioni tra gli atomi potevano generare dal carbonio atomi di azoto che a loro volta formavano atomi di ossigeno, e poi via via quelli di altri elementi come sodio e magnesio. Queste reazioni nucleari avvengono anche oggi nello spazio e portano le stelle a temperature altissime: nelle condizioni adatte, le attrazioni e repulsioni energetiche tra atomi formano molecole più o meno complesse, da quelle che compongono le rocce dei pianeti a quelle, come l’ammoniaca o il metano, presenti nelle protoatmosfere che li circondano. Nei processi di fusione, i nuclei di atomi diversi vengono compressi dalle forze gravitazionali fino a fondersi insieme, formando nuclei di atomi “nuovi”, stabili o radioattivi, che possono decadere, cioè separarsi nuovamente liberando energia. Quando in una stella l’energia gravitazionale non è più equilibrata dall’energia liberata nei processi di fusione, questa può esplodere generando una luminosità nota agli astronomi come esplosione di una supernova.
Il ciclo infinito della materia
Con la morte delle stelle si liberano nello spazio gli elementi chimici già formati, ed altri se ne formano in un ciclo continuo che genera la materia che si addenserà in nuove stelle, ripetendo sequenze di trasformazioni che liberano o assorbono enormi quantità di quella energia primordiale all’origine di tutti i processi che si svolgono nel nostro universo, di tutti i cambiamenti e trasformazioni in mezzo ai quali si svolge la nostra vita, di ogni sintesi e di ogni distruzione. Secondo le previsioni di Einstein, il progressivo prendere forma dell’energia che si espande nello spazio formando la materia, mentre il sistema nel suo complesso si raffredda lentamente (forse fino alla cosiddetta morte termica) è all’origine di tutti gli elementi chimici che conosciamo.
Le prime molecole della vita
La seconda parte del testo di Ugliengo ci guida proprio a ipotizzare come circa quattro miliardi di anni fa (e qualche miliardo di anni dopo il Big Bang), quando il nostro pianeta aveva acquisito una configurazione geologica e geochimica abbastanza stabile, gli atomi di alcuni elementi si siano organizzati in quelle molecole che avrebbero poi costituito le basi per la vita. In questo ambiente primordiale, che per i viventi di oggi sarebbe mortale, poteva avvenire la formazione di semplici molecole a base di carbonio e molti scienziati, già nel secolo scorso, avevano provato a ricostruire con esperimenti di laboratorio le condizioni di una Terra o di uno spazio in cui potevano essersi sintetizzate le prime molecole organiche. Sono state studiate miscele di molecole semplici, di catalizzatori di vario tipo, in condizioni energetiche disparate, mimando una varietà di situazioni ambientali in cui potevano formarsi strutture chimiche simili a quelle ben note nei viventi.
Scenari alternativi per le origini
Oltre alle esperienze di sintesi in laboratorio, superando le ipotesi di una vita sviluppata in ambienti di acque tiepide che costituivano un brodo primordiale, numerosi gruppi di ricerca hanno cercato di individuare nel pianeta altri possibili scenari per possibili origini. Sono state esplorate dorsali medio oceaniche, profondità abissali negli oceani, luoghi in cui non arrivando luce solare (e quindi fotoni) non era possibile alcuna reazione fotosintetica di organicazione del carbonio. Per sostenere processi di autocostruzione della vita (autopoiesi) si immaginano processi di chemiosintesi o altre trasformazioni energetiche vitali che possono aver luogo in posti ben più problematici di un laghetto inondato dal sole. E da queste esplorazioni emergono forme di organismi inimmaginabili capaci di vivere in luoghi impossibili, processi ancora da studiare, evoluzioni e associazioni tra processi che sconvolgono le idee tradizionali sulle origini della vita e sul suo funzionamento.
La biochimica del pianeta primordiale
Per stabilizzare il modello autotrofico, spiega Ugliengo, bisogna immaginare una chemiosintesi, cioè successioni di reazioni chimiche che facciano metabolizzare molecole semplici, sfruttando l’energia dei minerali per formare strutture più complesse e attivare processi ciclici che non dipendono più dall’energia solare. Questa biochimica primordiale si connette all’attività geochimica del pianeta, e porta a immaginare nuove condizioni di equilibrio o squilibrio ambientale, altri processi metabolici che possono svolgersi in condizioni geologiche non ben conosciute, nuovi percorsi energetici. I potenti calcolatori di oggi aiutano nella simulazione di varie condizioni possibili, non necessariamente terrestri, proponendo modelli di disequilibrio prebiotico o di meccanismi relativi a una vita aliena anche diversa da quella che conosciamo e che potrebbe non essere l’unica.
Vita come disequilibrio
In conclusione, Ugliengo elenca alcune concrete difficoltà che si presentano nella concettualizzazione dei processi vitali. Questi si mantengono lontani dall’equilibrio termodinamico dissipando una gran quantità di energia chimica in forma di calore e formando una gran quantità di molecole che aumentano l’entropia globale. Ma se il sistema evolverà verso condizioni di equilibrio, aumenterà la stabilità che per i processi vitali significa morte. In rapidi esempi Ugliengo spiega come, per mantenere le situazioni di disequilibrio, continuamente la vita accoppia processi termodinamicamente opposti, cioè reazioni che producono entropia insieme ad altre che consumano, in un susseguirsi intrecciato di reazioni e trasformazioni iniziate fin dall’origine dell’Universo. Ed è interessante immaginare in ogni nostro gesto, in ogni processo intorno a noi, in ogni cambiamento, tracce di questa energia primordiale che cambia forma senza scomparire, mentre l’entropia dell‘universo (forse) diminuisce in un ordine assoluto, in cui niente potrà più succedere.
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