Come è nata la vita? Non sapremo mai con certezza com’era la Terra quattro miliardi di anni fa, o il tipo di reazioni che hanno portato alla nascita della vita in quel periodo, ma c’è un altro modo di porre la domanda. Se chiediamo “come può iniziare la vita?” invece di “come è iniziata la vita”, questo semplice cambio di verbi offre una speranza. Sembra possibile che possiamo dimostrare una serie di passi ovvi verso l’origine della vita, forse portando ad una versione sintetica della vita in laboratorio. Saremo allora in grado di fornire una risposta soddisfacente alla seconda domanda: Come può iniziare la vita sulla Terra e su altri pianeti abitabili?
Il primo passo verso la vita comporta una domanda fondamentale a cui possiamo rispondere: Da dove vengono gli elementi della vita? Dai un’occhiata alla tabella periodica semplificata qui sotto. Vedi i sei elementi in verde? Quelli sono chiamati elementi biogenici.
Se si sommano tutti gli atomi che compongono una cellula vivente, quei sei rappresentano quasi il 99% della composizione elementare di proteine, acidi nucleici e membrane cellulari. La vita ha bisogno di questi sei elementi, ma funziona solo se gli elementi si sono combinati in molecole.
Consideriamo cosa succede se mettiamo due o più elementi insieme in un composto. Il carbonio e l’idrogeno, per esempio, diventano idrocarburi, e le catene di idrocarburi nelle membrane cellulari sono una componente essenziale della vita. Se lasciamo combinare tre elementi, come carbonio, idrogeno e ossigeno, otteniamo carboidrati come lo zucchero e la cellulosa. Cinque elementi – carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo – formano gli aminoacidi delle proteine, e se scambiamo il fosforo con lo zolfo cinque elementi compongono anche gli acidi nucleici come il DNA. Anche se conosciamo la fonte ultima degli elementi biogenici, dobbiamo anche sapere come diventano composti, e poi come i composti sono diventati sufficientemente complessi perché la vita emergesse sulla Terra sterile quattro miliardi di anni fa.
Ora possiamo tornare alla fonte degli elementi biogenici. Con una sola eccezione, gli elementi biogenici di tutta la vita sulla Terra, compresi il silicio e il ferro elementari (che compongono la Terra stessa) sono stati sintetizzati nelle stelle. L’eccezione è l’idrogeno, e l’unica ragione per cui è presente sulla Terra come uno degli elementi biogenici è che l’idrogeno nell’acqua – H2O – ha avuto la fortuna di non essere catturato dal sole quando il nostro sistema solare si è formato. Infatti, in termini di numero di atomi, l’idrogeno costituisce circa il 70% di tutti gli atomi della vita sulla Terra.
Come potrebbero gli elementi della vita venire dalle stelle? Nel 1946, Fred Hoyle, un giovane astronomo britannico, ebbe un’idea. Hoyle era pieno di idee, e ne pubblicò coraggiosamente la maggior parte, ma solo una è sopravvissuta alla verifica sperimentale e teorica. Per capire la sua idea, dobbiamo ricordare un po’ di chimica del liceo. Tutta la materia è composta da atomi, e tutti gli atomi hanno un piccolo nucleo composto da particelle chiamate protoni e neutroni, che sono circondati da nuvole orbitali di elettroni molto più leggeri. Ma nelle stelle, la temperatura è così alta che gli elettroni si staccano, così le stelle come il nostro sole sono composte da un gas di nuclei atomici nudi, principalmente idrogeno ed elio. L’idrogeno è l’elemento più leggero, con un solo protone nel suo nucleo, e l’elio è il secondo elemento più leggero, con due protoni e due neutroni nel suo nucleo. Quando la temperatura è abbastanza alta, circa 10 milioni di gradi, gli idrogeni si combinano per formare elio e rilasciano un’enorme quantità di energia. Questa è l’energia che fa brillare le stelle.
La brillante intuizione di Hoyle fu che una seconda reazione di fusione inizia quando una stella si avvicina alla fine della sua vita e la sua temperatura si avvicina ai 100 milioni di gradi. A quel punto due nuclei di elio si fondono per formare berillio, l’elemento metallico più leggero, che poi può fondersi con un altro nucleo di elio per produrre carbonio. Modelli teorici precedenti avevano già dimostrato che se il carbonio è disponibile in una stella, l’azoto e l’ossigeno possono formarsi in un processo chiamato ciclo carbonio-azoto-ossigeno, che è la fonte primaria di energia di fusione nelle grandi stelle calde che stanno per diventare nova e supernova. Quei modelli non includevano una fonte di carbonio, ed è qui che Hoyle ha colmato una lacuna.
Per riassumere, gli atomi di carbonio, azoto, ossigeno, zolfo e fosforo che comprendono tutta la vita sulla Terra sono stati forgiati in stelle a temperature più calde di qualsiasi bomba all’idrogeno. Come organismi viventi, non siamo in alcun modo separati dal resto dell’universo. Invece prendiamo in prestito una minuscola frazione dei suoi atomi per qualche anno e li incorporiamo nelle strutture molecolari transitorie delle cellule che sono l’unità vivente di tutta la vita sulla Terra.
Credito immagine in evidenza: “Butterfly Nebula in banda stretta di zolfo, idrogeno e ossigeno” di Stephan Hamel. CC BY-SA 4.0 via Wikimedia.