Origine della vita: Il nucleo atomico primordiale

Origine della vita: Usando i supercomputer di ultima generazione e le nuove tecniche matematiche, i fisici stanno lavorando per rivelare come il nucleo atomico dello stato di Hoyle dia origine agli elementi luminosi che consentono la vita, e come guida l’evoluzione delle stelle.

Origine della vita

Miliardi di anni fa, all’origine dell’universo, i nuclei di ogni atomo sorsero in uno stato gonfio e schiacciato con poche possibilità di sopravvivenza. Solo una forma si è spostata in una forma stabile in grado di sostenere la vita. Quello stato nucleare primordiale era instabile, chiamato stato di Hoyle, fu scoperto più di mezzo secolo fa. Con l’ascesa dei super-computer moderni e lo sviluppo di nuove tecniche matematiche, si sono cercate di capire esattamente le leggi della fisica.

Un gruppo di fisici teorici in Germania e negli Stati Uniti ha applicato le forze della fisica a un insieme di particelle subatomiche simulate al computer per costruire la struttura del nucleo dello stato di Hoyle da zero. I fisici affermano di conoscere la struttura dello stato di Hoyle che aiuterà a rivelare generi di carbonio, ossigeno, azoto e altri elementi luminosi che compongono le complesse molecole degli esseri viventi.

La sintesi di questi elementi consente la genesi della vita, ma guida anche all’evoluzione delle stelle. Il ciclo carbonio-ossigeno-azoto è semplicemente cruciale per la formazione di quasi tutti gli altri elementi, e per capire come vivono le stelle e come si deteriorano e svaniscono.

La ricerca per svelare lo stato di Hoyle iniziò nel 1954 con quello che lo scrittore di astrofisica Marcus Chown ha definito “la predizione più oltraggiosa” mai fatta nella scienza. L’astrofisico teorico Fred Hoyle sosteneva che la sua esistenza significava che uno stato sconosciuto dell’atomo di carbonio con circa 7,65 milioni di elettronvolt di energia extra doveva sorgere all’interno delle stelle morenti, anche se nessuno aveva mai rilevato emissioni spettrali da un tale atomo.

Gli elementi chiave della vita

Proprio come previsto, quasi tutti gli elementi chiave della vita discendono dal carbonio. Quando le stelle di medie dimensioni come il nostro sole sono a corto di idrogeno per fondersi in elio, i loro strati esterni si espandono e si arrossiscono e i loro nuclei si restringono. Durante questa contrazione interna, i nuclei di elio (chiamati anche particelle alfa), ciascuno contenente due protoni e due neutroni, vengono uniti insieme in modo così potente da fondersi, formando un nucleo atomico di quattro protoni e quattro neutroni chiamato berillio-8.

Prima che il berillio si ritrasformi in due particelle alfa, una terza particella a volte colpisce il berillio, fondendosi con esso per formare un nucleo carbon-12 eccitato di dimensioni maggiori: lo stato di Hoyle. Oltre ai soliti sei protoni di carbonio e sei neutroni, questo stato racchiude un ulteriore fascio di energia.

I nuclei dello stato di Hoyle quasi sempre decadono nel berillio e in una particella alfa. Ma una volta ogni 2,500 volte, questi carboni gonfiati si rilassano nella loro configurazione stabile, allo stato fondamentale, emettendo energia extra come un’esplosione di raggi gamma.

I nuovissimi nuclei di carbonio-12 che vengono creati successivamente popolano la tavola periodica. Alcuni rimangono come sono, mentre altri si fondono con un’altra particella alfa per diventare ossigeno. Una frazione dei nuclei dell’ossigeno viene spogliata di un protone, trasformandosi in azoto.

Altri si fondono con un altro alfa per diventare neon, e così via. Se la stella termina in un’esplosione cataclismica chiamata supernova, disperde questi nuovi elementi coniati nello spazio, dove alla fine diverranno gli elementi costitutivi dei futuri sistemi solari.

Lo stato di Hoyle

Lo stato di Hoyle è una “risonanza” di carbonio formato da un atomo di berillio e una particella alfa, il che significa che ha quasi esattamente la stessa energia delle loro masse combinate. Il carbonio-12 allo stato fondamentale ha un’energia inferiore, e quindi, non si forma attraverso la fusione di una particella alfa e di una di berillio. Perché tutti questi stati stabili accadano, ci deve essere una risonanza.

Hoyle predisse solo l’energia dello stato risonante del carbonio ma non poteva dire nulla delle forze e delle interazioni che gli consentivano di formarsi, né delle sue proprietà fisiche. Poiché il carbonio contiene sei protoni e sei neutroni, ciascuno dei quali contiene tre quark, lo stato di Hoyle equivale a un problema molto complesso.

Nonostante decenni di lavoro da parte di fisici nucleari, anche con l’informatica moderna un calcolo esatto dello stato rimane fuori portata. Ora, un approccio chiamato teoria del campo efficace chirale, sviluppato dal premio Nobel Steven Weinberg, ha permesso di avvicinarsi molto alla struttura dello stato di Hoyle.

Il trucco sfrutta il fatto che i protoni e i neutroni tendono a mantenere la loro distanza l’uno dall’altro all’interno dei nuclei atomici, in modo da “vedersi” l’un l’altro non come strutture di tre quark ma come particelle singole, anche se leggermente complicate.

Dimenticare i quark trasforma un problema di 36 corpi in un problema di 12 corpi, ma con la forte forza nucleare, l’elettromagnetismo e le forze chirali “di ordine superiore” che agiscono tra ogni particella.

Anche questo problema resiste a una soluzione esatta. Fissare dove sono tutti i dodici protoni e neutroni è solo una cosa orribilmente complicata.

Teoria del campo chirale

La teoria del campo chirale efficace impiega un trucco matematico a volte usato nel calcolo delle scuole superiori. Nello stesso modo in cui una funzione matematica, come una curva su un grafico, può essere approssimata calcolando i primi termini di una espansione di serie di Taylor. Una somma infinita di termini progressivamente più piccoli attorno a un punto sulla curva.

I ricercatori hanno approssimato le forze che modellano lo stato di Hoyle considerando solo i primi termini di un’espansione della serie di Taylor di quelle forze. Quando un super computer applica questo calcolo a una simulazione di sei protoni e sei neutroni distribuiti su un reticolo tridimensionale, le particelle possono organizzarsi in risposta ad esso in infiniti modi.

Tuttavia, solo le configurazioni di energia più bassa delle particelle sono comuni in natura. Di questi, i ricercatori hanno scoperto che una delle soluzioni era il nucleo di carbonio dello stato fondamentale. Un altro era lo stato di Hoyle, con i suoi 7,65 MeV di energia extra. Il calcolo, è stato eseguito dal supercomputer tedesco JUGENE.

Come un braccio piegato, lo stato di Hoyle assume la forma di un triangolo ottuso con una particella alfa in ciascun vertice. L’energia in eccesso del nucleo consente ai suoi cluster alfa di estendersi più distanti l’uno dall’altro rispetto ai grappoli di carbonio-12 dello stato fondamentale, che si uniscono in un triangolo equilatero stretto.

Martin Freer, un fisico nucleare sperimentale presso l’Università di Birmingham, ha affermato che conoscere la struttura del nucleo atomico aiuterà a spiegare le velocità e i meccanismi con cui si trasforma in altri stati, generando molti degli altri elementi nell’universo.

Il calcolo aiuta a spiegare perché lo stato di Hoyle esiste e promette anche di rivelare quanto è perfetto l’universo per la vita. Se lo stato di Hoyle non dovesse esistere, non esisteremmo nemmeno noi, e anche se la sua energia fosse leggermente diversa, la vita avrebbe dovuto trovare un percorso alternativo.

La generazione spontanea

Studio dell’origine della vita: Linneo, era un medico svedese che introdusse per la prima volta nella storia nel 1735 la nomenclatura binomiale. Prima di Linneo, molti tassonomisti iniziarono i loro sistemi di classificazione dividendo tutti gli organismi conosciuti in grandi gruppi e poi suddividendoli in gruppi progressivamente più piccoli.

A differenza dei suoi predecessori, Linneo iniziò con le specie, organizzandole in gruppi o generi più grandi, e poi sistemando i generi analoghi per formare famiglie correlate e per formare ordini e classi. Linneo scelse la struttura degli organi riproduttivi del fiore come base per raggruppare le piante superiori.

Per gli animali, Linneo faceva affidamento sui denti e le dita dei piedi come caratteristiche di base dei mammiferi. Ha usato la forma del becco come base per la classificazione degli uccelli. Avendo dimostrato che un sistema di classificazione binomiale basato su descrizioni concise e accurate poteva essere usato per il raggruppamento di organismi, Linneo stabilì la biologia tassonomica come disciplina.

Gli ultimi sviluppi nella classificazione furono iniziati dai biologi francesi Comte de Buffon, Jean-Baptiste Lamarck e Georges Cuvier, che hanno contribuito in modo duraturo alla scienza biologica, in particolare negli studi comparativi. I sistematisti successivi sono stati principalmente interessati alle relazioni tra animali e si sono sforzati di spiegare non solo le loro somiglianze ma anche le loro differenze in termini generali che comprendono la struttura, la composizione, la funzione, la genetica, l’evoluzione e l’ecologia.

Lo sviluppo di studi biologici comparativi

Nel sedicesimo secolo, gli anatomisti orientarono i loro sforzi verso una migliore comprensione della struttura umana. In tal modo, generalmente ignoravano altri animali, almeno fino alla seconda parte del diciassettesimo secolo, quando i biologi cominciarono a rendersi conto che importanti approfondimenti potevano essere ricavati da studi comparativi di tutti gli animali, compresi gli umani.

Uno dei primi di tali anatomisti fu il medico inglese Edward Tyson, che ha studiato l’anatomia di uno scimpanzé nel dettaglio e lo ha paragonato a quello di un umano. Facendo ulteriori confronti tra scimpanzé e altri primati, Tyson ha chiaramente riconosciuto punti di somiglianza tra quegli animali e gli umani.

Tra coloro che hanno dato maggiori studi comparativi, Georges Cuvier ha utilizzato grandi collezioni di campioni biologici inviati a lui da tutto il mondo per elaborare un’organizzazione sistematica del regno animale. Oltre a stabilire una connessione tra anatomia sistematica e comparativa, egli riteneva che esistesse una correlazione tra le parti in base alla quale un dato tipo di struttura come ad esempio le piume, è correlata a una certa formazione anatomica come ad esempio un’ala.

A sua volta, è legato ad altre formazioni specifiche come ad esempio la clavicola e così via. In altre parole, una grande quantità di informazioni anatomiche potevano essere dedotte su un organismo anche se l’intero campione non era disponibile. Questa intuizione avrebbe avuto una grande importanza pratica nello studio dei fossili, in cui Cuvier ha svolto un ruolo di primo piano.

Infatti, la pubblicazione del 1812 di Recherches sur les ossemens fossiles de quadrupèdes di Cuvier (tradotta come ricerca sulle ossa fossili nel 1835) pose le basi per la scienza della paleontologia. Ma per riconciliare le sue scoperte scientifiche con le sue credenze religiose personali, Cuvier postulò una serie di eventi catastrofici che potevano spiegare sia la presenza di fossili che l’immutabilità delle specie esistenti.

Lo studio dell’origine della vita

Se una specie può svilupparsi solo da una specie preesistente, allora come è nata la vita? Qual’è stata l’origine della vita? Tra le molte idee filosofiche e religiose avanzate per rispondere a queste domande, una delle più popolari fu la teoria della generazione spontanea, secondo la quale, gli organismi viventi potrebbero originarsi dalla materia non vivente.

Durante il diciassettesimo e il diciottesimo secolo, tuttavia, i ricercatori iniziarono a esaminare in modo più critico la convinzione greca che mosche e altri piccoli animali sorsero dal fango sul fondo di ruscelli e stagni per generazione spontanea.

Il medico e poeta italiano Francesco Redi fu uno dei primi a mettere in discussione l’origine spontanea degli esseri viventi. Avendo osservato lo sviluppo di vermi e mosche su carne in decomposizione, Redi nel 1668 escogitò una serie di esperimenti, tutti con la stessa conclusione: se le mosche sono escluse dalla carne marcia, i vermi non si sviluppano.

Sulle carni esposte all’aria, tuttavia, le uova deposte dalle mosche si trasformano in vermi. Nondimeno, nel 1745 il sostegno alla generazione spontanea fu rinnovata con la pubblicazione di Un resoconto di alcune nuove scoperte microscopiche del naturalista inglese John Turberville Needham.

Needham scoprì che un gran numero di organismi si sviluppava successivamente da infusioni preparate di molte sostanze diverse che erano state esposte a calore intenso in provette sigillate per trenta minuti. Supponendo che tale trattamento termico debba aver ucciso qualsiasi organismo precedente, Needham ha spiegato la presenza della nuova popolazione sulla base della generazione spontanea.

Gli esperimenti sembravano inconfutabili fino al fisiologo italiano Lazzaro Spallanzani che li ha ripetuti e ha ottenuto risultati contrastanti. Pubblicò le sue scoperte intorno al 1775, sostenendo che Needham non aveva riscaldato i suoi tubi abbastanza a lungo, né li aveva sigillati in modo soddisfacente.

Sebbene i risultati di Spallanzani avrebbero dovuto essere convincenti, Needham ha avuto il sostegno dell’influente naturalista francese Buffon; quindi, la questione della generazione spontanea è rimasta irrisolta.

La morte della generazione spontanea

Dopo che numerose ulteriori indagini non sono riuscite a risolvere il problema, l’Accademia delle Scienze francese ha offerto un premio per la ricerca che avrebbe gettato nuova luce sulla questione della generazione spontanea. In risposta a questa sfida, Louis Pasteur, che a quel tempo era un chimico, sottoponeva flaconi contenenti una soluzione di lievito zuccherato a una varietà di condizioni.

Pasteur, è stato in grado di dimostrare in modo definitivo che qualsiasi microrganismo che si è sviluppato in un terreno adatto proveniva da microrganismi nell’aria, non dall’aria stessa, come suggerito da Needham.

Il supporto per le scoperte di Pasteur arrivò nel 1876 dal fisico inglese John Tyndall, che ha ideato un apparato per dimostrare che l’aria aveva la capacità di trasportare particelle. Poiché tale materia in aria riflette la luce quando l’aria è illuminata in condizioni speciali, l’apparato di Tyndall potrebbe essere usato per indicare quando l’aria era pura.

Tyndall ha scoperto che nessun organismo è stato prodotto quando l’aria pura è stata introdotta in mezzi capaci di sostenere la crescita di microrganismi. Sono stati questi risultati, insieme alle scoperte di Pasteur, a porre fine alla dottrina della generazione spontanea.

Quando in seguito Pasteur mostrò che i microrganismi genitore generano solo il loro tipo, stabilì in tal modo lo studio della microbiologia. Inoltre, non solo è riuscito a convincere il mondo scientifico che i microbi sono creature viventi che provengono da forme preesistenti, ma ha anche mostrato loro di essere una componente immensa e variegata del mondo organico, un concetto che avrebbe avuto importanti implicazioni per la scienza di ecologia.

Inoltre, isolando varie specie di batteri e lieviti in diversi media chimici, Pasteur è stato in grado di dimostrare di aver apportato cambiamenti chimici in un modo caratteristico e prevedibile, dando così un contributo unico allo studio della fermentazione e alla biochimica.

L’origine della vita primordiale

Negli anni venti, il biochimico russo Aleksandr Oparin e altri scienziati hanno suggerito che la vita potrebbe provenire da materia non vivente in condizioni che esistevano sulla Terra primitiva, quando l’atmosfera era costituita da gas metano, ammoniaca, vapore acqueo e idrogeno.

Secondo questo concetto, l’energia fornita dalle tempeste elettriche e dalla luce ultravioletta potrebbero aver distrutto i gas atmosferici nei loro elementi costitutivi e le molecole organiche potrebbero essersi formate quando gli elementi si sono ricombinati.

Alcune di queste idee sono state verificate dai progressi in geochimica e genetica molecolare; gli sforzi sperimentali sono riusciti a produrre amminoacidi e proteinoidi che sono composti proteici primitivi e dai gas che possono essere stati presenti sulla Terra al suo inizio.

Gli amminoacidi sono stati rilevati in rocce che hanno più di tre miliardi di anni. Con tecniche migliorate può essere possibile produrre precursori o sostanze viventi autoreplicanti da sostanze non viventi. Ma se sia possibile creare le vere e proprie forme eterotrofe dalle quali gli autotrofi si sono presumibilmente sviluppati, rimane ancora da constatare.

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