L'Universo e l'origine della vita - INAF OAS Bologna · 2019-04-30 · L'Universo e l'origine della...

L'Universo e l'origine della vita

Come è nato l'Universo? Qual è lagenesi chimica e biochimicadell'uomo? E in che modo questagenesi è connessa con l'Universo nelsuo insieme? Le lezioni del corso diaggiornamento "L'Universo e l'originedella vita" tenutosi a Bologna nel 2001e qui riportate, ma anche pubblicate inun libro, tentano di rispondere aqueste domande. Buona lettura!

1. Presentazione2. I miti delle origini3. Il Big Bang4. Le molecole organichenella materia interstellare5. Dinamica e formazione delsistema solare6. I pianeti e la vita7. Le molecole della vita

Pagina iniziale

8. Prime tappe dell'evoluzione dei viventi9. Evoluzione biologica dei viventi10. L'evoluzione umana. Dati, problemi,interpretazioni11. I pianeti extrasolari12. Seti italia: ricerca di intelligenze extraterrestri13. Gli autori14. Il libro

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L'Universoel'originedellavita

PresentazioneBrunoMarano*

Nell'esperienzadichiincontraclassieinsegnantidellenostrescuoleperdiscuteredellenostreconoscenzeastronomicheespaziali,ècomunenotarecheesisteundenominatorecomune,avolteinconsapevole,permoltedelledomandecheglivengonorivolte:ilSoleelaTerrasonounsistemauniconell'Universo,assolutamentepeculiarenell'ospitareesserichehannocoscienzadellaloroesistenzaedell'esistenzadell'Universo?0piuttostosiamounoditantieventisimili,"normali"nell'evoluzionedell'Universo?

Questaquestione,profondamenteconnaturataallanostraautoconsapevolezza,nonèsicuramentefigliadellanostraepocaepreesisteall'esplorazionedellospaziooperataconmezzietecnologiemodernissimiLaricercadelle"Origini",comeunodegliobiettiviprincipalidellaricercafondamentale,haassuntotuttavianeitempirecentilaforzaelasintesidiunosloganevieneregolarmenteripresadaigrandimezzidicomunicazione.

L'argomento-nonèunasorpresa-èfortementeinterdisciplinare.Risultaquindidotatodiunanotevolevalenzaeducativa,nonsoloperlasua"forza"intrinseca,maancheperilfattoche,nell'affrontarlo,sideveoperareunasintesidistrumentiche,nell'ordinariopercorsodidatticodeglistudenti,provengonodamateried'insegnamentodiverseeavoltelontane.

Questo"valore"risultaancoramaggioreseconsideriamoche,nellenostrescuole,siconsumaunaframmentazionedelleconoscenzeesullastutturaestoriadell'Universo,separandonelaparte"fisica"daquelladescrittiva,lasciataspessoisolataeappesaanulla,comeunepisodioaséstante,nell'ambitodellescienzenaturali.Ènostrasperanzariuscireadindicareunapproccioche,generandounfortecollegamentotralediversediscipline,aiutiasuperarequellacesura.

Sitrattadiuntentativochehamoltiaspettidinovitàanchepernoi.Quantoquiraccoltoèquindisicuramentemoltoimperfettoeperfettibile,nelcontenutoenelbilancimentodelleparti.Sitrattaperòdiunprogressochepuòavveniresoloraccogliendoreazioniecontributidaquantisonodestinataridelcorso,invistadiunasuariproposizionefutura.

Infine,unringraziamentovaaquantisisonoimpegnatinelcorso,conl'unicamotivazionediesercitareunafunzionedistimoloculturale,vistocomevaloreeresponsabilitàprimaridell'Universitàedeglientidiricerca.

*Direttoredell'OsservatorioAstronomicodiBolognaedelDipartimento di Astronomia dell'Università di Bologna. Anno 2001

L'Universo e l'origine della vita

I miti delle origini

Fabrizio Bònoli


Letture


In principio fu , la Voragine, un vuoto oscuro, un abisso cieco,notturno, sconfinato, dove nulla può essere distinto.

Poi apparvero , la Terra, ed , l'Energia dell'Amoreprimordiale.

Gaia generò , il Cielo, e , il Flutto marino.

Il primo dei figli maschi generati da e è il Titano

, l'Oceano che circonda l'universo girando su se stesso in

un circuito chiuso; l'ultimo dei Titani è .

ucciderà il padre che giaceva perennemente sopra: si separa così la Terra dal Cielo e si crea uno "spazio libero" tra

di loro, sopra il quale il cielo stellato rappresenta un "grande soffitto".

Poiché ha uguali dimensioni di , non esiste una solaparte della Terra dalla quale non si veda un angolo equivalente diCielo.

Sono nati così il Giorno e la Notte ed è nato , come gli uominilo vedono.

consente, in questo modo, l'inizio dello "scorrere del tempo" edella nostra storia...

Come sono nati l'universo, il cielo, la Terra, gli uomini? E ancora: checosa c'era prima? Che cosa ci sarà dopo? E ci sarà un dopo? E,soprattutto, perché tutto questo?

A queste domande l'uomo ha sempre cercato di dare una risposta, intutte le epoche e in tutte le culture e a questi quesiti possiamo direche, ancora oggi, cerca di trovare spiegazione: agli antichi raccontimitici si sono sostituiti i modelli scientifici, anche se, talvolta, unqualche ricordo di quei miti ancora rimane, sia nell'immaginariocomune, che in quello scientifico.

Figura 1. Eros e Psiche: particolare di una scultura romana.(Museo Capitolino, Roma)

Il mito greco dell'origine del Mondo e degli dèi, che abbiamo moltosuccintamente riassunto, così come molti altri aspetti della culturagreca, ha una profonda derivazione dall'ambito del Vicino Oriente.Ricordiamo, esempio tra i tanti che si potrebbero fare, il Ciclo di Baal,che comprende una raccolta di testi mitopoietici, provenienti da quellaregione che si estende dal Sinai all'Eufrate, compresa tra ilMediterraneo e il deserto arabico, che era indicata dai greci con iltermine complessivo di Siria. Scritti da copie anteriori o da anticatradizione orale tra il XV e il XIV secolo a.C., vennero ritrovatinell'antica Ugarit, vicino all'odierna Latakîja (Laodicea), consideratauna delle prime città del mondo, insieme a Ur e Uruk. Il Ciclo narra lalotta del dio Baal, signore della fertilità, con il dio Jamm, signore delmare e con Mut, divinità del mondo sotterraneo, e vi viene ricordato ilprincipio delle cose:

Senza confini e senza tempo era l'Ariaed un Vento ruotava incessantemente.Ed il Vento divenne l'amante del suo Principioe si riavvolse su se stesso.E da questo nacque il Desiderio.

Il Desiderio è stato il Principio di tutto. 1

Riconosciamo, così, in questo Vento incessante e nel suo attod'amore, il Caos e l'Energia dell'Amore primordiale presenti nelsuccessivo mito greco, ma soprattutto emerge una sostanzialedifferenza tra queste idee cosmogoniche e quelle di altre culture.

In principio Dio creò il cielo e la terra. Ora la terra era informe edeserta e le tenebre ricoprivano l'abisso e lo spirito di Dioaleggiava sulle acque.Dio disse: "Sia la luce!". E la luce fu.Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalletenebre e chiamò la luce giorno e le tenebre notte. E fu sera e fumattina: primo giorno.Dio disse: "Sia il firmamento in mezzo alle acque per separare leacque dalle acque". Dio fece il firmamento e separò le acque,che sono sotto il firmamento, dalle acque, che sono sopra ilfirmamento. E così avvenne.

Dio chiamò il firmamento cielo. E fu sera e fu mattina: secondogiorno.Dio disse: "Le acque che sono sotto il cielo, si raccolgano in unsolo luogo e appaia l'asciutto". E così avvenne. Dio chiamòl'asciutto terra e la massa delle acque mare. E Dio vide che eracosa buona. E Dio disse: "La terra produca germogli, erbe cheproducono seme e alberi da frutto, che facciano sulla terra fruttocon il seme, ciascuno secondo la sua specie". E così avvenne:la terra produsse germogli, erbe che producono seme [...] ealberi che fanno ciascuno frutto con il seme[...]. Dio vide che eracosa buona. E fu sera e fu mattina: terzo giorno.Dio disse: "Ci siano luci nel firmamento del cielo, per distinguereil giorno dalla notte; servano da segni per le stagioni, per i giornie per gli anni e servano da luci nel firmamento del cielo perilluminare la terra". E così avvenne: Dio fece le due luci grandi,la luce maggiore per regolare il giorno e la luce minore perregolare la notte, e le stelle. Dio le pose nel firmamento del cieloper illuminare la terra e per regolare giorno e notte e perseparare la luce dalle tenebre. E Dio vide che era cosa buona. Efu sera e fu mattina: quarto giorno.Dio disse: "Le acque brulichino di esseri viventi e uccelli volinosopra la terra, davanti al firmamento del cielo". Dio creò i grandimostri marini e tutti gli esseri viventi che guizzano e brulicanonelle acque, secondo la loro specie, e tutti gli uccelli alati [...]. EDio vide che era cosa buona. Dio li benedisse: "Siate fecondi emoltiplicatevi e riempite le acque dei mari; gli uccelli simoltiplichino sulla terra". E fu sera e fu mattina: quinto giorno.Dio disse: "La terra produca esseri viventi secondo la lorospecie: bestiame, rettili e bestie selvatiche [...]". E così avvenne:Dio fece le bestie selvatiche [...] e il bestiame [...] e tutti i rettilidel suolo [...] . E Dio vide che era cosa buona.E Dio disse: "Facciamo l'uomo a nostra immagine, a nostrasomiglianza, e domini sui pesci del mare e sugli uccelli del cielo,sul bestiame, su tutte le bestie selvatiche e su tutti i rettili chestrisciano sulla terra".Dio creò l'uomo a sua immagine; a immagine di Dio lo creò;maschio e femmina li creò. [...]E così avvenne. Dio vide quanto aveva fatto, ed ecco, era cosa

molto buona. E fu sera e fu mattina: sesto giorno.2

Come risulta, infatti, dal confronto fra le prime parole della Genesi,nell'Antico Testamento, ed i miti (greco ed ugaritico) ricordati prima,mentre nelle grandi religioni monoteiste un dio preesiste allacreazione, nella maggior parte delle altre religioni - soprattutto dellepiù antiche - la "teogonia", la storia della nascita degli dèi, vienespesso preceduta dalla "cosmogonia", la storia della nascita del Tutto,e le stesse divinità sono immaginate essere generate da un elementoprimordiale, da un "principio creatore", sia esso il Desiderio, l'Alberodella Vita, l'Uovo cosmico, l'Acqua, il Vuoto, il Caos, il Vento.

Figura 2. Guido Reni (1575-1642): La separazione del Giornodalla Notte. (Parigi, Louvre)

In uno dei più antichi testi letterari conosciuti, l'indiano Rigveda,composto tra 4000 e 3500 anni fa - quasi contemporaneo, quindi, alCiclo di Baal - si trovano già invocati tali princìpi creatori. L'Alberocosmico, simbolo della crescita e dell'espansione del Mondo econtemporaneamente della sua unicità, si ritrova in India, inMesopotamia e in Scandinavia. Il Desiderio è presente sia nei Feniciche nei Maori, l'Uovo nei Veda e nei Dogon, il gigante P'an-kou inCina e la Volta celeste nel mito di Orfeo.

Presenti, quindi, in quasi tutte le culture, tali princìpi generatoriappaiono come degli archetipi del pensiero cosmogonico, simboliprimitivi e universali che appartengono all'inconscio collettivo, il chespiega le apparenti analogie che si ritrovano in diversi di questi miti,senza necessariamente introdurre la necessità di un'unica cultura -terrestre o extraterrestre - che preesistesse a tutte le altre oggiconosciute. Come sostenne Frazer, uno dei fondatori dell'antropologiasociale, nel suo classico studio sulla magia e la religione, Il ramod'oro, tali analogie "sono effetto di cause simili, che agiscono inmaniera analoga sulla costituzione della mente umana in diversi paesie sotto diversi cieli".

Figura 3. La creazione biblica in sei giorni. Dall'Atlas historiqueet géographique di Claude Buy de Mornas, Parigi, 1761.

Per trovare quelle cause simili è sufficiente, infatti, cercare di guardarecon uno sguardo lontano dal nostro quotidiano, di cittadini di unOccidente evoluto, a quello che poteva essere una volta il rapportodell'uomo con la natura: con la volta stellata, con la nascita dellepiante e degli animali, con il vento e la pioggia e la neve, con le acque,con il fuoco. Da una parte, la necessità di cercare di sopravvivere aquegli elementi, al buio immanente dopo il tramonto del Sole, allaforza degli uragani, alla violenza del mare, agli incendi delle boscaglieo della savana. Dall'altra, il desiderio, sempre presente, di cercare diutilizzare la natura per i propri bisogni: osservare il cielo per misurare iltempo, studiare i venti per percorre il mare, conoscere le variazionistagionali per le attività agricole e pastorali, usare e dominare il fuoco.Dall'altra parte, ancora, la speranza che quelle conoscenze, chefaticosamente consentivano di sopravvivere alla natura, non venisserorese vane da improvvise modificazioni nel loro aspetto, cosìansiosamente osservato, registrato, studiato; modificazioni che nonpotevano avvenire se non per cause esterne all'uomo e riposte,perciò, in qualcos'altro, o qualcun altro, che quegli aspetti della naturaera in grado di dominare meglio ancora dell'uomo: un esseresuperiore, una divinità. Ecco, allora, l'impulso di proiettare le proprieaspettative e le proprie certezze, o incertezze, verso queste divinità,intese, quindi, come messaggeri o itinerari verso l'ignoto, verso quellanatura così poco conosciuta e nello stesso tempo così mutevole eostile.

Molti di questi miti, come si diceva, hanno lasciato traccia nella nostracultura e talora, in modo più o meno cosciente e più o meno esplicito,finiscono per riaffiorare, ovviamente, anche nella cultura di coloro chesi occupano di scienza e, in particolare, di coloro che si occupanoproprio di quei problemi scientifici che appaiono più vicini ai tentativi didare una risposta "certa" a quelle domande fondamentali cheproponevamo poc'anzi.

Figura 4. Creazione del Mondo dal nulla mediante soffio divino.Dal Liber de nichilo (Amiens, 1510) del neoplatonico Charlesde Bouelles. (Parigi, BnF, Réserve des livres rares, Rés. 155, f°63)

Cosa c'è di profondamente e consciamente diverso dalla ricerca di ununiverso immobile ed eterno nella "costante cosmologica", introdottanel 1917 da Einstein nelle equazioni della Relatività generale? Quantola frammentazione di un "atomo primitivo", prevista da GeorgesLemaître nel 1931 e che aveva quasi in nuce la teoria del Big Bang, èdiversa dall'idea dell'esplosione di un Uovo cosmico iniziale? E lacreazione continua di materia, al ritmo di un atomo di idrogeno permetro cubo di spazio, prevista dal "modello dello stato stazionario",avanzato nel 1948 da Hermann Bondi e Thomas Gold in opposizionealla teoria del Big Bang, non ha forse in sé qualcosa degli antichi mitiche narravano di divinità perpetuamente immanenti nella creazione? IlMondo non generato e non distruttibile di Aristotele non si oppone qui,forse, al Cosmo del Timeo platonico, che ha avuto un inizio ed avràuna fine, così come lo stato stazionario si oppose al Big Bang?

Esula, certamente, dagli stretti spazi di questo intervento un esame eduna discussione complessiva, sia della vastissima storia deipressoché infiniti miti sull'origine, sia della loro altrettanto vastainfluenza sulla cultura dei tempi nei quali i vari miti sono emersi e sulleculture successive, fino alla nostra. Ci pare, tuttavia, importante

sottolineare come il termine greco , che noi usiamo peridentificare tutte quelle idee che nel tempo ci hanno parlato diqualcuno (o qualcosa) che ha presieduto alla creazione del Mondo edella vita e ne ha guidato gli sviluppi successivi, voglia diresemplicemente - e non per caso - racconto. Come tale, infatti, e senzauna necessaria immedesimazione, finiva per essere usato da coloroche tali "miti" raccontavano - dalla Teogonia di Esiodo alleMetamorfosi di Ovidio - e, molto probabilmente, anche recepito dacoloro ai quali questi "racconti" erano diretti. È solo nelle religionimonoteiste che il "racconto" sull'origine perde la configurazione di"mito" per divenire "verità rivelata"; verità dalla quale poi realmente far

discendere tutta la conoscenza. Ma questo non deve stupire, sericordiamo come queste religioni abbiano avuto la loro culla in quelVicino Oriente nel quale la separazione tra il "racconto" delle coseavvenute, anche fantastiche, e la realtà del vissuto quotidiano non era(e talora non è ancora oggi) così netta e comprensibile come, alcontrario, appare divenire sempre di più nel mondo greco. Inparticolare, dopo la fioritura di quelle correnti di pensiero, dispersenella vasta culla della Magna Grecia e che per semplicità diperiodizzazione storica si fanno iniziare nel VII-VI secolo a.C., conTalete e con la Scuola ionica. Allora, per la prima volta, appare nelmondo occidentale un modo diverso di sentire e cercare dicomprendere le cose della natura: un tentativo di separare il "mito", il"racconto", dall'osservazione dei fenomeni e dal tentativo dispiegazione degli accadimenti.

I primi animali furono prodotti nell'umidità e furono coperti di untegumento villoso; col passare del tempo si diffusero sulla Terra.[...] Quando l'involucro si aprì, cambiarono subito il loro modo divivere; le creature viventi nacquero dall'elemento umido fattoevaporare dal Sole. Dapprima l'uomo somigliava ad un altro

animale, cioè ad un pesce.3

Così spiegava l'origine della vita Anassimandro, nel VI secolo a.C.(200 anni dopo Esiodo), e questo non è sicuramente un "mito"!Vediamo qui, pur nella semplicità - e anche nell'ingenuità - delladescrizione, un primo tentativo di elaborare un concetto di evoluzione.Si pensi a quanto è stato detto riguardo alle idee di Darwin, alleaccuse che ha ricevuto ben ventiquattro secoli dopo Anassimandro ealle critiche cui ancora oggi vengono sottoposte alcune ideeevoluzioniste da parte di coloro che ritengono ineliminabile lapresenza, nel nostro Universo, di un qualche intervento di creazione.Sia esso avvenuto solo "in principio", lasciando che poi "il caso" o "lanecessità" (per parafrasare il titolo di un celebre libro di JacquesMonod) agissero ad agglutinare elementi semplici sino a costituirel'Homo sapiens. Sia, invece, questo intervento continuo e quasiquotidiano a guidare l'evoluzione lungo una strada che "doveva"portare a vedere l'universo come è oggi. Un universo nel quale le leggidella fisica, che noi conosciamo e che continuiamo ancora a cercaredi conoscere meglio, non potessero dare modo alla nostra Galassia, alnostro Sole, alla Terra, all'atmosfera di formarsi in modo sia pure dipoco diverso. Pena, l'impossibilità di arrivare alla nascita (o allacreazione?) della vita e dell'uomo e... se ci si consente l'immodestia diun uso esageratamente integralista del finalismo profondamentepresente in certe posizioni, pena l'impossibilità di arrivare a consentire

oggi a noi di scrivere queste righe e al lettore di leggerle.4

Figura 5. Statue di divinità sumere. (Museo archeologicodell'Iraq, Baghdad)

Ritornando al mito greco ricordato all'inizio, va sottolineata

l'importanza, al suo interno, svolta dalla figura di , il Tempo.Emerge dal breve racconto come il "tempo" venga creato dopo altripersonaggi, ma come sia la sua presenza (e il suo atto di parricidio) adare origine allo "spazio" e agli eventi successivi. Naturalmente,anche il problema dell'origine del tempo è stato uno dei problemidiscussi dalle cosmogonie e non tutte le culture lo hanno affrontato etentato di risolvere nello stesso modo.

Esisteva il tempo prima della creazione delle altre cose, spazio edivinità creatrice compresa? Scorre il tempo in modo lineare, simile aduna freccia, come considerato nella cultura occidentale? Oppure siavvolge intorno a se stesso, simile ad un serpente, come in alcuneculture dell'India? E, in entrambi i casi, ha avuto un origine? Seesisteva prima della creazione del Mondo, allora fa parte o meno delMondo stesso, qualunque sia ora il senso del suo scorrere?

Sant'Ambrogio, nel IV secolo, scrisse nell'Hexameron che Dio creò ilCielo e la Terra all'inizio del tempo e, quindi, il tempo non sarebbeesistito prima del Mondo e più tardi, nel XIII secolo, Guglielmod'Auvergne, nel De Universo, sostenne che, come il Mondocomprende tutto lo spazio e non esiste un "di fuori", il tempo, iniziato ascorrere all'atto della creazione, non ha un "prima", poiché contienetutti i tempi. Dunque, nel "tempo che ha preceduto l'inizio del tempo" -si chiedeva Guglielmo, affermando contemporaneamentel'inconsistenza della domanda - esisteva qualcosa? Porsi tali questioniequivale, da un punto di vista concettuale, a chiedersi oggi: cosa c'eraprima del Big Bang? In quale spazio si sta espandendo il nostroUniverso? La cosmologia moderna non evita questa domanda, ma,poiché la nostra scienza non ama lasciare dei paradossi insoluti, eccoche la risposta, molto semplicemente, è: l'Universo coincide con lospazio-tempo e la sua origine non può essere considerata come unfenomeno temporale.

Fig. 6. Simulazione al calcolatore per visualizzare la nascitadello spazio-tempo: secondo la teoria dell'inflazione caotica, ilvuoto quantico è esploso alla fine dell'era di Planck generandouno o più universi in rapida espansione. (A. Linde, StanfordUniversity)

In qualche modo, ammantati dalla Relatività generale e dallameccanica quantistica, siamo, allora, tornati daccapo ai nostri mitisulle origini. Anche la scienza moderna ha, così, creato un suo mitocosmogonico, nonostante risuonasse da lontano il divieto di Tommasod'Aquino nella Summa theologica: "Che il Mondo abbia avuto unprincipio è oggetto di fede, indimostrabile, e non oggetto di scienza".Divieto ribadito da Alberto Magno nella Physica: "Il principio delMondo per creazione non è affatto fisico e non può essere provatodalla fisica".

Temo che non se ne esca; proviamo, quindi, a concludere con altreparole dal Ciclo di Baal ricordato all'inizio:

E da esso [il Desiderio] nacque il Verbo,marciume di una miscela umida.Il Verbo apparve con l'aspetto di un Uovoe da esso uscirono esseri incoscenti,poi coscientie contemplatori dei Cieli!

Vi si ritrovano, come abbiamo visto, sia le tracce originarie di alcunedelle più antiche cosmogonie, sia, nella "miscela umida", lareminiscenza dell' "elemento umido fatto evaporare dal Sole" dalquale Anassimandro fa nascere le creature viventi, ma soprattutto - eper questo ci piace qui ricordarlo - appare estremamente significatival'ultima frase, laddove vengono ricordati esseri nati dall'Uovo,dapprima incoscienti, poi coscienti. E quale primo atto di coscienza,ecco la "contemplazione dei cieli". È dunque sin dai primi, più antichimiti che hanno formato la nostra cultura che, come primo gesto diautoaffermazione dell'Homo sapiens, compare il suo sguardo rivolto alcielo, a porsi quelle domande che ricordavamo all'inizio e a cercare dirispondervi, per seguire la "virtute e conoscenza" dell'Ulisse dantesco,nonostante ed oltre i vani tentativi di tutti coloro che hanno cercato - ecercano ancora - di porre dei limiti invalicabili a quella "virtute" e anchea quella "conoscenza".

1M. LACHIÈZE-REY, J.-P. LUMINET; Figures du ciel de l'harmonie des sphèresà la conquête spatiale, Bibliothèque nationale de France, Seuil, 1998.2Da La Bibbia di Gerusalemme, Centro Editoriale Dehoniano, Bologna, 1991

(decima edizione): il testo biblico concorda con la editio princeps, 1971.3A. MADDALENA; Ionici. Testimonianze e frammenti, La Nuova Italia, Firenze,1963.4Si ricorda ai lettori del Giornale di Astronomia che una più ampia discussionesu alcuni di questi argomenti si può trovare in alcuni articoli recentementecomparsi nella rivista.Riguardo ai problemi delle relazioni tra teologia e cosmologia, si veda: G.Tanzella-Nitti; Visione realista dell'universo e teologia della creazione, vol. 25, n.4, 1999, pag. 14; A. Masani; A proposito di un articolo di don Tanzella Nitti.Problematiche spirituali della cosmologia moderna, vol. 25, n. 4, 1999, pag. 21;G. Tanzella-Nitti; Risposta ad Alberto Masani, vol 25, n. 4, 1999, pag. 27; G.Tanzella-Nitti; Rivoluzioni scientifiche e teologia, vol. 26, n. 2, 2000, pag. 16.Riguardo alle leggi fisiche che regolano l'universo si veda: V. Castellani, S.Degl’Innocenti; Principio antropico e leggende metropolitane: cronache stellarida un Universo a doppia gravità, vol. 25, n. 4, 1999, pag. 3L. Paternò; Commento all'articolo 'Principio antropico e leggende metropolitane'di Vittorio Castellani e Scilla Degl'Innocenti, vol. 26, n. 2, 2000, pag. 2.


ImitidelleoriginiFabrizioBònoli

Imitidelleorigini

Letture

Letture

Letture

CalassoR.;LenozzediCadmoeArmonia,Adelphi,Milano,1991;

CalassoR.;Ka,Adelphi,Milano,1999;

CampbellJ.;Lefiguredelmito,EdizioneCDE,Milano,1992;

*DeSantillanaG.,vonDechendH.;IlmulinodiAmleto:saggiosulmitoesullastrutturadeltempo,Adelphi,Milano,2000;

*FrazerJ.G.;Ilramod'oro.Studiosullamagiaelareligione,BollatiBoringhieri,Torino,1998(edizioneridottainunvolumedall'autore,nel1922,dall'edizioneoriginalein12volumiedititrail1890eil1915);

GarfagniniG.C.;CosmologieMedievali,Loescher,Torino,1978;

HarrisonE.;Lemascheredell'universo,Rizzoli,Milano,1989;

Lachièze-ReyM.,LuminetJ.-P.;Figuresducieldel'harmoniedessphèresàlaconquêtespatiale,BibliothèquenationaledeFrance,Seuil,1998;

*MondolfoR.;L'infinitonelpensierodell'antichitaclassica,LaNuovaItalia,Firenze,1967;

PettinatoG.;Lascritturaceleste,Mondadori,Milano,1998;

RepelliniF.F.;CosmologieGreche,Loescher,Torino,1980;

RinaldiG.;LetteratureantichedelVicinoOriente,Sansoni,Firenze,1968;

*ThorndikeL.;AhistoryofmagicandexperimentalScience,NewYork,1953,6voll;

VernantJ.-P.;L'universo,glidèi,gliuomini.Ilraccontodelmito.,Einaudi,Torino,2000.

Ivolumicontrassegnatidall'asteriscocostituisconoletturediapprofondimento


IlBigBangAlbertoCappi

Introduzione

L'Universoinespansione

L'UniversocaldodelBigBang

Materiaoscuraedenergiadelvuoto

OltreilBigBang

L'universoelavita:casoenecessità

Letture

"OhjeunesseohjeunessealorsàcettetableOùlenéantbouffaitledéjeunerinstableDespossiblesconfitsenuneidentitéSurvintlaloitranchanteetindécomposableQuilançadestrousd'êtreenl'indéfinité"RaymondQueneau,PetiteCosmogoniePortative

Introduzione

Ilproblemadell'origineedellastrutturadell'universoèstatoaffrontatopermillennidamitologie,religioniesistemifilosoficidellediverseciviltàumane,masoltantonelXXsecoloèdivenutooggettodiindaginescientificaelacosmologiacostituisceoggiun'importantedisciplinadell'astrofisica.Comevedremoilprogressoscientifico,purcancellandolarassicurantevisioneantropocentricaprevalsapermillenni,haanchemessoinluceilsottilemaprofondolegamefralanostraesistenzaeleproprietàfisichefondamentalidelcosmo.

Iprimiadaffrontareilproblemadell'origine(arché)senzafareappelloaglideioalsovrannaturale,mainterminidilegginaturali,furonoifilosofiionici.SecondoAnassimandro,adesempio,tuttalamateriaderivadaunprincipioprimo,daluichiamatoapeiron("illimitato").SecondoLeucippoeDemocritoimondisiformanoesidisgregano,elamateriaècostituitadaparticelleindivisibili,gliatomi.IGreciscoprironolasfericitàdellaTerra,edescrisseroilmovimentodeipianeticonmodellisemprepiùcomplessi.AristarcodiSamoproposenelIIIsecoloa.C.ilmodelloeliocentricoma,inassenzadiunacorrettafisicadelmoto,eancheperragionifilosofiche,prevalseilmodellogeocentrico,cheduranteilMedioevosiinserìinmodonaturalenellavisioneantropocentricadelcristianesimo.Ilsistemaeliocentricofuripropostosoltantonel1543,annodellapubblicazionedelDeRevolutionibusOrbiumCoelestiumdiCopernico,esiimposegrazieailavoridiTychoBrahe,Keplero,eGalileo.Conl'affermazionedelsistemacopernicanorisultòevidentechelestelleeranoaltrettantisoli,forseinfiniti,coninfinitimondiabitati(comesostenutodaGiordanoBruno,bruciatosulrogopereresianel1600).

NeiPrincipiaMathematica(1687),IsaacNewtonformulòlacelebreleggedigravitazioneuniversale,secondolaqualelaforzadiattrazionediduecorpièproporzionalealprodottodelleloromasseeinversamenteproporzionalealquadratodellalorodistanza.Perlaprimavoltavenivascopertaunaleggefisicavalidaovunque,siasullaTerrachenellospazio(diquilasuaqualificadiuniversale).Oggisappiamochelagravitàèunadellequattroforzefondamentalipresentiinnatura;lealtresonol'elettromagnetismo,l'interazioneforteequelladebole.Lagravitàèinrealtàlamenointensadellequattro(bastinotarechelaforzadirepulsioneelettromagneticafradueelettroniècirca1040voltesuperioreallaloroattrazionegravitazionale),maleinterazioniforteedebolehannounraggiodiazionelimitato,el'elettromagnetismohacaricheoppostechetendonoaneutralizzarsi.Eccoperchéilmotodeicorpicelestièdovutoallagravità.Iltentativodiapplicarelaleggedigravitazioneall'universointero,edificandointalmodounacosmologianewtoniana,siurtaperòadeilimitiimportanti.Unadistribuzioneinizialmentestaticaefinitadistellenellospaziosarebbedestinataa"crollare"susestessa,el'universononpotrebbedunqueesserenéstabilenéeterno.ANewtonparvealloranaturalesupporreunadistribuzione

uniformedistellenellospazioinfinito.Intalcaso,però,nonèpossibileottenereunadescrizionematematicamentecoerentenell'ambitodellafisicanewtoniana.

Peravereunadescrizionedinamicadell'universooccorreanchesaperecomeèdistribuitalamaterianellospazioma,seapartiredal1838fupossibilemisurareledistanzedellestellepiùvicine,finoagliinizidelXXsecolononfupossibiledeterminarenéladistanzanélanaturadellenebulose,inparticolarediquelleaspirale.Perquestimotivi,mentredaunlatolameccanicanewtonianaconobbe,nelXVIIIeXIXsecolo,unaseriedistraordinarisuccessi,portandoallaprevisionedelritornodellecometeperiodiche,allascopertadiNettuno,alcalcolodelleorbitedeipianetini,dall'altrononsiebbeinvecelanascitadiunacosmologiascientifica,anchesevifuronoleimportantiosservazionidapartediWilliamHerschel,mirateadeterminarelastrutturadellaViaLatteaelanaturadellenebulose.Herschel,almenoinunprimotempo,siconvinsechelenebulosefosserosistemistellaricomelaViaLattea.Questaipotesierastatagiàavanzata,insiemeadaltrespeculazionicosmologiche,daThomasWrightedaImmanuelKant.Degnadinotaèinoltrelaconcezionedell'universocomeammassoomogeneodisistemistellari,natoinseguitoallaframmentazionediunaparticellaprimordiale,chevienedescrittadaEdgarAllanPoenelsuopoemainprosaEureka(1848);sitrattasostanzialmentediunaversionenewtonianadell'atomoprimitivodiLemaître,dicuitratteremopiùavanti.



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L'universoinespansione

Ilprogressodellacosmologiamodernafudeterminatodavarifattori,legatialprogressotecnologicoeteorico.NellasecondametàdelXIXsecolo,cominciaronoadessereapplicateall'astronomialafotografiaelaspettroscopia,mentrenelXXsecolosiebbelacostruzioneditelescopiaspecchio(riflettori)disempremaggioridimensioni,unitamenteallosviluppodistrumentazioneerivelatorisemprepiùsensibili,grazieaiqualisiresepossibilel'analisidellaluceprovenientedalontanisistemistellari.Parallelamente,all'iniziodelXXsecoloebberoluogodellevereeproprierivoluzioninellafisicafondamentale,rappresentatedallateoriadellarelatività,ristrettaegenerale,edallameccanicaquantistica.

Lateoriadellarelativitàristretta,pubblicatadaAlbertEinsteinnel1905,haportatoall'abbandonodeiconcettinewtonianidispazioetempoassoluti,eallaconcezionediunanuovaentitàfisica,lospazio-tempo,maessevalesoltantopersistemidiriferimentochesimuovonodimotorettilineouniforme(sistemiinerziali).Successivamente,conlaformulazionedefinitivadellarelativitàgeneraledapartedellostessoEinsteinnel1916,l'azionedellagravitàdovutaallamassadeicorpihatrovatounarappresentazionegeometricacomecurvaturadellospazio-tempo.Larelativitàgeneralehapermessodisuperarelelimitazioninewtoniane,consentendoperlaprimavoltaunadescrizionematematicacoerenteanchediununiversoinfinito,omogeneoeisotropo.

Attraversolasoluzionedelleequazionidellarelativitàgenerale,apartiredaalcuneipotesisemplificatrici,siottengonodeimodellimatematicichedescrivonoladinamicadell'universo.Imodellistandardassumonocheladistribuzionedellamaterianell'universopossaesseredescrittacomeunfluidoomogeneo.L'omogeneitàimplicachevolumiugualidispazio,indipendentementedallaloroposizione,devonocontenerelastessaquantitàdimateria;inessinoidobbiamocontareadesempiolostessonumerodigalassie.Palesementeciònonèveroperl'universolocale,doveosserviamounagerarchiadistrutturechevadallestelleallegalassie,edallegalassieagliammassidigalassie.Siritiene,però,che,considerandoregionidiuniversoabbastanzagrandi,attornoaqualchecentinaiodimilionidianni-luce,l'universodivengadavveroomogeneo;comevedremo,visonodiverseosservazionicheconfermanoquestaipotesi,detta"principiocosmologico".

Assumendoquestoprincipio,Einsteinottennenel1917ilprimomodellorelativistico,nelqualel'universohaunvolumefinito,manonhalimiti;unasituazionechepossiamovisualizzareinduedimensioniconlasuperficiediunasfera,chepossiedeun'areafinitamaillimitata.L'ideadiunospaziocurvoeragiàstataipotizzatadaGauss,Riemannedaltri.MipareinteressantenotarecheancheGiacomoLeopardiavevaprobabilmenteintuitolapossibilitàdiununiversofinitoeillimitato.InquestosensoritengosipossainterpretareilseguentepassodelloZibaldone,scrittoaFirenzeil20settembre1827:

"Ilcrederel'universoinfinito,èun'illusioneottica:almenotaleèilmioparere.[...]Quandoioguardoilcielo,midicevauno,epensochealdilàdiquécorpich'ioveggo,venesonoaltriedaltri,ilmiopensieronontrovalimiti,elaprobabilitàmiconduceacrederechesemprevisienoaltricorpipiùaldilà,edaltripiùaldilà.Lostesso,dicoio,accadealfanciullo,oall'ignorante,cheguardaintornodaun'altatorreomontagna,ochesitrovainaltomare.Vedeunorizzonte,masachealdilàv'èancorterraoacqua,edaltrapiùaldilà,epoialtra;econchiude,oconchiuderebbevolentieri,chelaterraoilmarefosseinfinito."

IlmodellodiEinsteinapparivadunquecomelabrillantesintesidellamillenariacontrapposizionedialetticafraspaziofinitoespazioinfinito,manonevitavailproblemadellastabilitàdell'universo.Einsteinsireseinfatticontocheilsuomodelloavrebbesubitoilcollassogravitazionalee,poichéritenevachel'universodovesseesserestatico,fucostrettoadintrodurrenellesueequazionilafamosacostantecosmologica,laquale,sepositiva,equivaleadunaforzarepulsiva.L'equilibriocosìottenutofraattrazioneerepulsioneèperòinstabileel'universoèprimaopoidestinatoacontrarsioadespandersi.LesoluzionipiùgeneralifuronoinveceottenutedalrussoAlexanderFriedmannnel1922,eindipendentementedalbelgaGeorgesLemaîtrenel1927,marimaseroperdiversianniignoratedallamaggiorpartedegliastronomi.

Nelcasodeimodellirelativisticiclassici,senzacostantecosmologica,lastoriadell'universoèlegataallageometriaedipendedirettamentedalladensitàdimateria(sivedalafigura1).Seladensitàèmoltoelevata,superioreadunasogliacritica,alloral'universoèdestinatoinfuturoarallentareefermarelapropriaespansione,perpoicollassaresusestesso,eilsuovolumeèfinitoeillimitato,comenelcasodell'universodiEinstein:l'universoè"chiuso".Sel'universohainveceunadensitàinferiorealladensitàcritica,alloraèdestinatoadespandersipersempre,lasuageometriaèdettaiperbolica,elospazioèinfinito:perquestovienedetto"universoaperto".Infine,sel'universohaesattamenteladensitàcritica,alloraessoèinfinitoedestinatoadespandersipersempre,comenelcasoprecedente,mahainquestocasolafamiliaregeometriaeuclidea,edèchiamatoperquestomotivo"universopiatto".

Figura1.Evoluzionedeimodellidiuniversosenzacostantecosmologica

Inpresenzadiunacostantecosmologica,larelazionefrageometriaedestinodell'universononèpiùcosìsemplice,esipuòavereadesempioununiversogeometricamentechiusomadestinatoadespandersipersempre:taleeraadesempioilmodellopreferitodiLemaître.

Imodellicosmologicirelativisticisarebberorimastidellesemplicicuriositàmatematiche,segliastronominonfosseroriusciti,nellostessoperiodo,acomprenderequalefosselanaturaeladistanzadellenebulose.All'iniziodelXXsecololamaggiorpartedegliastronomiritenevachetuttelenebuloseosservateappartenesseroallanostragalassia.Nel1924l'astronomoamericanoEdwinHubble,osservandoaltelescopiodi2,5mdelmonteWilson,cheeraallorailpiùgrandedelmondo,riuscìadidentificarealcuneCefeidinellanebulosadiAndromeda.LeCefeidisonounaparticolareclassedistellevariabili:dalperiododivariazionedellalucediunaCefeidesipuòricavarelasualuminositàintrinseca,edalrapportofralaluminositàintrinsecaeilflussoluminosoosservatosiottienelasuadistanza.Conquestometodo,HubblefuingradodidimostrarecheAndromedaèunsistemastellarealdifuoridellaViaLattea,epiùingeneralechetuttelenebuloseaspiralesonogalassiecomelanostra.

Aquestascoperta,diperségiàfondamentale,neseguìun'altraancorapiùsorprendenteeinaspettata.

Apartiredal1912,l'astronomoVestoSlipheravevacominciatoadottenereglispettridellegalassiepiùvicine.Ricordiamochelospettrodiunasorgenteluminosaèlascomposizionedellasualucenellevarielunghezzed'onda,lequalisonopercepitedall'occhiocomediversicolori;lalucerossacorrispondealunghezzed'ondapiùgrandielaluceblualunghezzed'ondapiùpiccole.Gliatomidiundatoelemento,comeadesempiol'idrogeno,possonoassorbireoemetterelucesoloadeterminatelunghezzed'onda;adesempio,gliatomichesitrovanoinunaatmosferastellare,assorbendolaluceprovenientedaglistratiinternidellastella,causanolapresenzadirighescurenelsuospettro.Questerighesiritrovanonellospettrodiunagalassia,lacuiluminositàègeneralmentedovutaall'insiemedellestellechelacostituiscono.LeosservazionidiSliphermostravanochelelunghezzed'ondadellerighedeglielementiidentificatinellegalassieeranosistematicamentesuperioriallelunghezzed'ondadellestesserighemisurateinlaboratorio.Talespostamentoversolunghezzed'ondamaggiori,dunqueversoilrosso,ènotoconiltermineinglesediredshift.

Ilfenomenofuinterpretatodagliastronomicomeunaconseguenzadell'effettoDoppler,checonsisteinunaumentodellalunghezzad'ondanelcasodiunasorgenteinallontanamentoeinunadiminuzionedellalunghezzad'ondanelcasodiunasorgenteinavvicinamento.Losperimentiamoquotidianamentenelcasodelleondesonore,conlasirenadiun'ambulanza,ilcuisuonorisultapiùacutoquandol'ambulanzasiavvicinaepiùgravequandosiallontana.Laformulaclassicanelcasodelleondeluminoseèlaseguente:

dove èlalunghezzad'ondaosservata, èlacorrispondentelunghezzad'ondamisuratainlaboratorio,Vèlavelocitàdellasorgenteecèlavelocitàdellaluce.

Nel1929unarticolodiHubbleconvinsegliastronomichelavelocitàdiallontanamentoVdellegalassieèdirettamenteproporzionaleallalorodistanzaDdanoi:

doveHèchiamatacostantediHubble(Hècostantenellospazio,mavarianeltempo).

L'interpretazionepiùnaturalediquestarelazione,pienamenteconfermatadalleosservazionisuccessive,èchel'universointerosiainespansione:laseparazionefralegalassieaumentacoltempo.Nelcasodiununiversochiuso,possiamoriprenderel'analogiabidimensionaleconunpalloncinochesigonfia(sivedalafigura2).Naturalmentel'espansionenonhauncentro,cosìcomenonhannocentrounasuperficiesfericaounpianoinfinitochesidilatano.Sitengainoltrepresentechenonsonolegalassiechesistannoallontanandoconunalorovelocità,maèlospaziostessochesistaespandendo.Nontuttoperòsiespande!Adesempiononsiallontananol'unadall'altralegalassiechefannoadesempiopartedellostessogruppo,esonotenuteinsiemedallaloroforzadigravità,nésidilatanolaTerra,oinostricorpi.

Figura2.Rappresentazionebidimensionaledell'espansionediununiversochiuso,edelfenomenodellospostamentoversoilrosso(redshift).

L'espansioneèdunquedescrittainmodonaturaledaimodellirelativisticiche,comeabbiamovisto,prevedonoununiversononstatico,anchesenonavremmopotutostabilireapriori,senzaleosservazioni,sel'universofosseattualmenteinunafasediespansioneodicontrazione.Larelativitàgeneralenoncidicepoineancheperchél'universosistaespandendo.



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L'espansioneimplicacheladensitàdell'universostadiminuendo.Viceversa,nelpassatol'universodovevaesserepiùdensoepiùcaldo.Inlineadiprincipio,andandoabbastanzaindietroneltempopossiamoraggiungerel'istantenelqualeledimensionidell'universosiannullano,densitàetemperaturadivengonoinfinite,esihaunasingolarità.Sel'espansionefosseavvenutaavelocitàcostante,l'inversodellacostantediHubblemisurataattualmente,1/H0,darebbedirettamenteiltempotrascorsoapartiredaquell'istanteiniziale.

GeorgesLemaîtreperprimosuggerì,nel1931,chel'interouniversopotesseesserenatoapartiredaunatomoprimordiale.Lafisicadell'epocanoneramaturaperaffrontareilproblema,el'ideadiLemaîtrefuripresasoltantodopolasecondaguerramondiale.Nel1948ilfisicoGamoweisuoicollaboratoristudiaronolereazioninuclearicheavrebberopotutoverificarsiquandol'universoeracaldoedenso.

Chel'universononfosseeternoapparivaperòancorainaccettabileadiversifisiciedastronomi;nel1949,nelcorsodiunpopolareprogrammaradiofonicodellaBBC,l'ipotesidiun'originedell'universofubattezzatasprezzantemente"ideadelBigBang"dall'astrofisicoingleseFredHoyle,ilqualeproposeinalternativa,contemporaneamenteaicolleghiBondieGold,ununiversoinespansionemaimmutabile,senzaun'originenelpassato,econdensitàcostanteneltempo:percompensareladiminuzionedidensitàdovutaall'espansione,Hoyleipotizzòlacreazionecontinuadinuovamateria.Inquestocaso,dunque,stelleegalassienascono,invecchianoemuoiono,mavengonoregolarmentesostituitedaaltre.L'universohapertantolestesseproprietànonsolonellospazio,comenelcasodelBigBang,maancheneltempo:questaèl'essenzadelcosiddettoprincipiocosmologicoperfetto.Ledueteoriesisonofronteggiateperdiversianni,maleosservazionihannoallafineconfermatolavaliditàdelBigBang.

ÈforsebenechiarireprimachecosasiintendeoggiperteoriadelBigBang.Essanonpretendedidescriverel'istanteiniziale,maèingradodispiegareinchemododallafaseadaltadensitàetemperaturaincuisitrovaval'universoneiprimisecondidivitasièarrivatiall'universochenoiosserviamo.Ineffettisappiamochelarelativitàgeneralenonèpiùidoneaadescriverel'universonegliistantiiniziali,quandolascaladell'universoeraconfrontabileconlacosiddettalunghezzadiPlanck,10-33cm,ovveroquandol'universoavevaun'etàdi10-43secondi,dobbiamoprendereinconsiderazioneglieffettiquantistici;purtropponondisponiamoancoradiunateoriacheunifichimeccanicaquantisticaerelativitàgenerale,enonèancorapossibilesapereselanuovateoriaelimineràonolasingolaritàiniziale.Lamigliorcandidataaquestoruoloappareesserelateoriadellesupercorde,maèdifficilealmomentoattualeprevederneglisviluppi.

UnaprimaconfermadelBigBangvienedalconfrontofral'etàdellestellepiùvecchieel'etàdell'universo,stimataapartiredall'inversodellacostantediHubble(occorreinrealtàscegliereancheunmodellocosmologico).Siottengonoinfattietàcompresefrai12ei15miliardidianni:ilcherappresentaunottimoaccordo,considerandoglierrorisulleosservazionieleincertezzesuivariparametri.

IlsuccessopiùimportantedellateoriadelBigBangrimanecomunquelaspiegazionedelleabbondanzedeglielementi.Attornoalprimosecondodivita,l'universoeracompostodaprotoni,neutroni,elettroni,fotoni,eneutrini.Perqualcheminuto,finchétemperaturaedensitàfuronoabbastanzaelevate,unaseriedireazioninucleariportòallaformazionedinucleidielio(dueprotoniedueneutronilegatidalleforzenucleari)e,inmisuraminore,dialtrielementileggeri.LeabbondanzeprevistedallateoriadelBigBangsonoinbuonaccordoconleosservazioni,chemostranocomel'elementopiùdiffusonell'universosial'idrogeno(75%),seguitodall'elio,mentreglielementipiùpesantirappresentanosoltantounafrazionetrascurabiledelladensitàtotale.Conilprocederedell'espansione,elaconseguentediminuzionedidensitàetemperatura,lanucleosintesiprimordialesièarrestata.GlielementipiùpesanticheritroviamoinabbondanzasullaTerraechesonoessenzialiperlavita,comeilcarbonio,l'azotool'ossigeno,sonostatiinveceprodottidallafusionenucleareall'internodellestelle.Lestellerisplendonoinfattipergranpartedeltempotrasformandoidrogenoinelio,esolonell'ultimapartedellalorovitaessesintetizzanoelementipiùpesanti.Leprimestellepiùmassicce—quelle,cioè,checonsumanoillorocombustibilenuclearepiùinfretta—hannodiffusonellospaziointerstellareglielementipesantidalorosintetizzatiesplodendocomesupernovae.Questielementisonopoifinitinelgasche,percontrazionegravitazionale,hadatoorigineadaltrestelle,comeilnostroSole.Vedremomeglioinseguitolaproblematicaapertadallarelazionefraleproprietàosservatedell'universoelavita,masipuògiàsottolineareilfattochelanostraesistenzaapparelegataadunastraordinariacatenadicoincidenze,chesipossonofarrisalireinultimaanalisiaivaloridellecostantifisichefondamentali.

Dopolanucleosintesi,vièstatounaltroeventoimportantechecostituisceun'ulterioreconfermadellavaliditàdelBigBang.Alcunecentinaiadimigliaiadiannidopol'istanteiniziale,latemperaturasiabbassòfinoapochemigliaiadigradi,permettendoadelettronieprotonidilegarsiinmodostabile,formandoatomineutridiidrogeno:èl'epocadellaricombinazione.Soltantoalloralalucecominciòapropagarsiliberamentenellospazio:l'universodivennecosì"trasparente".Conl'espansione,lalunghezzad'ondadiqueifotonièviaviaaumentata,elaloroenergiadiminuita:noioggiciritroviamoancoraimmersiinunoceanocosmicodifotoni,lacuitemperaturaequivalesoltantoa2,73gradisopralozeroassoluto.Sitrattadellacosiddettaradiazionecosmicadifondo,osservataperlaprimavoltanel1965daPenziaseWilson;leosservazionisuccessiveavarielunghezzed'onda,einparticolarequelledelsatellitedellaNASACOBE(COsmicBackgroundExplorer),hannoconfermatocheessahalecaratteristicheprevistedallateoriadelBigBang.Nonsolo:conilVeryLargeTelescopeeuropeoinCilesonostaterecentementecompiuteosservazionidiunalontananubedigasadunredshiftsuperiorea2.Poichélavelocitàdellaluceèfinita,quantopiùèlontanounoggetto,tantomaggioreèiltempochelasualuceimpiegaperraggiungerci.Dunquelesuddetteosservazionimostranocomeeralanubenellontanopassato,quandol'universoavevaun'etàdipochimiliardidianni,epermettonodistimarequalefossealloralatemperaturadellaradiazionedifondo,cherisultaeffettivamentepiùelevatadiquellaattuale,comeprevistodallateoriadelBigBang.



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Latemperaturadellaradiazionedifondorisultaesserefortementeisotropa,ovveroilsuovalorerimanequasicostanteinqualunquedirezionelasimisuri.Ciòcostituisceunaconfermadell'ipotesichelamaterianell'universosiadistribuitauniformemente:altrimenti,sealmomentodellaricombinazionelamateriafossestatamoltodisomogenea,avrebbedovutocausaredellesignificativefluttuazioniditemperaturanellaradiazionedifondo.

Figura3.Questamappadell'universovicino,nellaqualeognipuntorappresentaunagalassia,èstataottenutadaungruppoanglo-australiano(2dFsurvey)eincludepiùdi140.000oggetti.Èevidentecheladistribuzionedellegalassienonèuniforme,echeesistonostrutturemoltoestese.Unodeiproblemiprincipalidellacosmologiaèquellodispiegarelaformazionediquestestrutture.

L'universocheosserviamoattraversoinostritelescopinonappareperòaffattoomogeneo.Innanzituttolegalassiesitrovanoingruppiedammassi;inoltresonostateosservatestruttureancorapiùgrandiecomplesse,comeenormivuoti,filamentie"muraglie"digalassie,suscaledell'ordinedi100milionidianni-luce(comesipuòvedereinfigura3).Èdunqueinevitabilesupporreche,all'epocadellaricombinazione,vifosseropiccolefluttuazionididensitànelgasprimordiale.Intalmodolezoneincuiladensitàeraunpo'piùalta,esercitandoun'attrazionegravitazionalesuperiore,hannoprogressivamenteinglobatolamateriacircostantesinoaformarestelleegalassie,acoronamentodiunprocessoduratoalcunecentinaiadimilionidianni.Lefluttuazionididensità,alorovolta,hannogeneratopiccolefluttuazioninellatemperaturadellaradiazionedifondo,chesonostateeffettivamenterivelatenel1992daCOBE(figura4).Levariazionisonoperòdiappenauncentomillesimorispettoallatemperaturamedia,eanche15miliardidianninonsarebberoapparentementebastatiperformarelegalassieelealtrestruttureosservate.Sitengapresentechelagravitàèincompetizioneconl'espansione,laquale

rallentailprocessodiaccrescimentogravitazionaledellamateria.

Figura4.Mappadelcielochemostralevariazioniditemperaturanellaradiazionecosmicadifondo,misurateperlaprimavoltadaCOBE,unsatellitedellaNASA,nel1992.Questevariazionisonolatracciafossiledellefluttuazionididensitàesistentiquandol'universoavevapochecentinaiadimigliaiadianni,chehannopoiportatoallaformazionedellegalassie

Alloscopodirisolverequestoproblema,gliastrofisicihannofattoricorsoallamateriaoscura.Ineffetti,sappiamochenell'universovièunagranquantitàdimateria"invisibile",dicuinonriusciamoadosservareunaradiazioneelettromagnetica,nécomelucevisibile,nécomeonderadiooraggiXegamma.Lamateriaoscuraperòesiste,inquantonevediamoglieffettigravitazionalisulmotodellestelleedelgasnellegalassie,edellegalassiestessenegliammassi.Sistimachenellegalassievisia10voltepiùmassadiquellachenoipossiamoosservaresottoformaluminosa,echenegliammassidigalassievisiaunamassaalmeno100voltesuperiore.

Checos'èdunquelamateriaoscura?Èimprobabilechesitrattisoltantodistellepocoluminoseodibuchineri,ovverodimateriasottoformeanoinote,compostadaparticellefamiliaricomeprotoni,neutronieelettroni,inquantocisonodeifortilimitiallaquantitàditaliparticellechepossonoessersiformatenell'universoprimordiale.Ineutrinisonouncandidatopossibileperlamateriaoscura,epotrebberoeffettivamenteesseredotatidimassa,maquestarisultatroppopiccolaperdareuncontributocosmologicodominante;inoltrelesimulazionieffettuatealcalcolatoremostranocheneancheconineutrinièpossibileriprodurrelecaratteristichedellestruttureosservate.Sidevedunquesupporrecheesistanoparticellepiùmassicce,comesuggerisconoleteoriedigrandeunificazionedellafisica.Icandidatiperòsonotanti,el'esistenzadialmenounadiquesteparticelleèancoratuttadadimostrare.

Dalpuntodivistadellaformazionedellegalassie,lefluttuazionididensitàdellamateriaoscurapotevanoesseresufficientementegrandidapermetterelaformazionedellestruttureosservatesenzaalterarel'isotropiadellatemperaturadellaradiazionecosmicadifondo.Laformazionedellegalassieèdescrittanelcapitoloseguente:quivogliamosoprattuttosottolinearecomelapresenzadimateriaoscurainfluiscasullageometriadellospazioesuldestinodell'universo.Infatti,comeabbiamovisto,quantopiùaltaèladensitàdimaterianell'universo,tantopiùforteèl'attrazionegravitazionalecherallental'espansione.Ancheseconsideriamoilcontributodellamateriaoscuranellegalassieenegliammassidigalassiearriviamosoltantoaunterzodelladensitànecessariaperchiuderel'universo.Finoapocotempofa,sipensavacheladensitàcriticapotesseessereraggiuntalostesso,qualoralamateriaoscurafossedistribuitainmododiversodaquellaluminosa.Glistudieleosservazionipiùrecentimostranoperòcheladensitàdimateriaèdavveroinferiorealladensitàcritica,esuggerisconounquadroancorapiùsorprendente:lamateriadiqualunquetipo,siaessaluminosaodoscura,nonèla

componenteprincipaledell'universo!Infattileanalisideirisultatidell'esperimentoitalo-americanoBoomerang(sitrattadiosservazionieffettuatedauntelescopioabordodiunpallonechehavolatoadun'altezzadi38kmsull'Antartico),mostranoinmodoconvincentechelefluttuazioninellaradiazionedifondohannolecaratteristicheaspettatenelcasodiununiversocondensitàugualeaquellacritica,valeadirecongeometriapiatta.Mase,comesièvisto,ladensitàdimateria,tenendocontosiadiquellaluminosachediquellaoscura,nonpuòesseresuperioreadunterzodelladensitàcritica,checos'èchesinascondenellospazioecontribuisceairimanenti2/3delladensitàdell'universo?Un'informazioneutileperrispondereaquestointerrogativocivienedalleosservazionidisupernovaelontane,lequaliindicanochel'espansionedell'universostaaccelerando,enonrallentando.Questaaccelerazioneèlacaratteristicadiunacostantecosmologicapositiva,laqualeagiscecomeunaforzarepulsivaecontribuisceconlasuadensitàdienergiaalladensitàtotaledell'universo(ricordiamocheinrelativitàmateriaedenergiasonoequivalenti).Daunpuntodivistafisico,siritienechequestoeffettosiariconducibileall'energiadelvuoto.Nellafisicamoderna,infatti,lospaziovuotononcorrispondeaffattoal"nulla"filosofico;inesso,graziealprincipiodiindeterminazionediHeisenberg,appaionoescompaionocoppiediparticelle-antiparticellechesonovirtuali,machehannoeffettitangibili:èpropriograziealoro,infatti,cheilvuotopuòavereunadensitàdienergianonnullaedesercitareuneffettogravitazionalechesimanifestacomeunacostantecosmologica.Ilrisultatosorprendentediquestericerche,affascinantemachenondeveessereconsideratocomedefinitivamenteacquisito,èchel'universononèdominatodallamateria,neppuredaunamateriaoscurasottoformeanoiancoraignote,madall'energiadellospaziovuoto!Eildestinodelnostrouniversosembraessere,aquestopunto,quellodiun'espansionesenzafine.



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OltreilBigBang

Nonostanteinumerosisuccessi,sappiamochelateoriadelBigBanglasciasenzarispostaalcuniinterrogativifondamentali:cicostringeinfattiadimporredellecondizioniinizialiparticolariperspiegarecerteproprietàdell'universo.Qualèlacausadellefluttuazionididensitàchehannodatoorigineallegalassie?Perchélatemperaturadellaradiazionedifondoprovenientedaregionidicielosituateindirezioniopposteècosìsimile,vistochetaliregioninonhannomaipotutocomunicaretradiloro?Èpoiunacoincidenzasospettailfattochel'universoabbiaunadensitàcosìvicina(senonuguale)alladensitàcritica.Occorrepoispiegareperchénonsianomaistatirivelatisperimentalmentemonopolimagnetici,mentreinteorianell'universoprimordialesenedovrebbeessereformatounnumeroenorme.

Tuttequestedomandetrovanounarispostasenelleprimefasidivitadell'universo,eperunbrevissimoperiododitempo,l'espansioneèstataenormementepiùrapidadiquellaattuale,ovveroseèavvenutainmodoesponenziale:èl'ipotesidell'inflazione.Intalcaso,unaregionemicroscopicadispaziosisarebbegonfiatasinoadassumerelascalaattualedell'universo.Lefluttuazioniquantistiche,necessariamentepresentisuscalemicroscopiche,avrebberocosìassuntodimensionimacroscopiche,originandolefluttuazionididensitàchehannodatoorigineallegalassie.Lediverseregionidell'universoosservabilesarebberostateincontattonelpassato,equestospiegherebbel'altogradodiisotropiadellaradiazionecosmicadifondo.Inoltre,l'espansionerapidissimaresopiattalageometriadell'universo.Questofenomenopuòesserechiaritoriprendendol'analogiadelpallone:lasuperficiediunpallonedicalciociappareevidentementecurva,maseimmaginiamodigonfiareilpallonefinoafargliassumereledimensionidellaTerra,lasuacurvaturanonèpiùimmediatamentepercepibile(nonacasol'umanitàperlungotempohacredutochelaTerrafossepiatta).Infine,imonopolimagnetici,perquantonumerosi,sarebberostatienormementediluiti,mentrelamateriacheèoggipresentenell'universosisarebbeformataalterminedell'espansioneesponenziale.Cisiaspettainoltrecheinoriginevifossesoltantoun'unicaforzafondamentale;coldiminuiredellatemperatura,l'universosarebbepassatoattraversodelletransizionidifase,incorrispondenzadellequalisisarebbeseparataprimalaforzadigravità,poiquellaforte,infinel'elettromagnetismoelaforzadebole.

Nellafigura5sonosintetizzatelefasiprincipalidell'evoluzionedell'universo.

Figura5.Principalitappedell'evoluzionedell'universo.

SequestoquadrogeneralehaunasuagiustificazionefisicanellemoderneteoriediGrandeUnificazione,occorresottolinearechel'inflazionenonnediscendenecessariamente.Nonsonoancorachiariimeccanismiattraversoiqualil'inflazionecominciae,soprattutto,finisce,ecosìsonostatiprodottidiversiscenaridiinflazione,ognunodeiqualinonèesentedadifetti.Perdipiùlepossibiliverifichesperimentaliditaliscenarinonsonoimmediate.Restailfattochel'andamentodellefluttuazioniditemperaturanellaradiazionecosmicadifondoèinaccordoconquantoprevistodall'inflazione,l'unicaideasinorapropostachesiaingradodidareunarispostaaiproblemiprecedentementeelencati.



Introduzione




OltreilBigBang


Letture

L'universoelavita:casoonecessità?

Dalpuntodivistastorico,lavisionedelrapportotrauomoecosmohasubitotreimportantirivoluzioni.NelXVIsecolo,inseguitoallarivoluzionecopernicana,l'umanitàhapersolasuaposizioneprivilegiataalcentrodell'universo.NelXIXsecolo,lateoriadiDarwinhamostratochelaspecieumanaèilrisultatodiunprocessoevolutivononfinalizzato;lediverseecomplesseformedivita,ilcuiadattamentoall'ambienteeravistountempocomeilrisultatodellaDivinaProvvidenza,sisonoinrealtàessestesseadattateall'ambientecircostante.Infine,lacosmologiadelXXsecolohacompiutolaterzarivoluzione,conlascopertachel'universostessononèimmutabile,maèinevoluzione.

LapresenzadellavitasullaTerra—eancorpiùdiunaciviltàtecnologicamenteavanzata—ciapparedunqueuneventocasualeecontingente,anchesesièprobabilmenteverificatoaltrovenell'universo.Questaconsiderazioneciconduceperòadunarevisionedelprincipiocopernicano.Lanostraesistenzarichiedeinfatticondizioniassaispeciali(adesempio,nontuttelestellehannodeipianeti,enontuttequelleconunsistemaplanetariohannopianeticomelaTerra).Apparedunqueragionevoleaffermarecheivaloridituttelequantitàfisicheecosmologichenonsonougualmenteprobabili,masonovincolatidalfattochedevonoesistereluoghiincuilavitabasatasulcarboniohapotutoevolvere,echel'universodeveessereabbastanzavecchiodaaverneconsentitol'evoluzione:questoèl'enunciatodelcosiddettoprincipioantropicodebole.

Piùcontroversaèsenz'altrolaformulazionefortedelprincipioantropico:essaaffermachel'universodeveaverequelleproprietàcheconsentonolosviluppodellavitaintelligenteinqualchemomentodellasuastoria.Questoprincipionascedallaconstatazionechenonsololecostantifondamentalihannovaloriparticolari,nondeducibilidaalcunateoriafisicaattuale,maanchechequeivaloriappaionocritici:sefosserodiversi,seppurdipoco,nonsideterminerebberopiùlecondizioninecessarieallanascitadellavita.

Figura6:Questafiguramostrachevariandoanchedipocol'intensitàdellaforzaelettromagnetica(sulleascisse)edellaforzaelettromagnetica(sulleordinate),leproprietàdell'universocambianodrasticamente,echesoloinunaristrettazonadelgraficoivaloripermettonol'esistenzadellavita;inquellazonaèindicatoilpuntocorrispondenteaivalorimisurati(daM.Tegmark,AnnalsofPhysics,1998,vol.270,pp.1-51.

Lafigura6mostraadesempiochecosasuccederebbesesivariassel'intensitàdell'interazioneelettromagneticaediquellaforte.Perché,dunque,dituttiivaloriimmaginabili,lecostantifondamentalihannoassuntoproprioquellichepermettonolosviluppodellavitaedell'intelligenza?Un'ipotesiattualmentedimodafraicosmologiècheesistauninsiemediuniversidovelecostantifisicheassumonoeffettivamentevaloridiversi.Questaipotesisipuòinserireinunoscenarioinflazionario,nelqualeilnostrouniversoèsoltantouna"bolla"fratantealtre.Ilnostrosarebbesemplicementeunofragliuniversipossibili,magarirarissimo,maconlecaratteristichenecessarieperlanostraesistenza:naturalmente,gliuniversichenonhannoquellecaratteristichenonpotrannomaiessereosservatidanessuno.

Untaledibattitosicollocaevidentementeaiconfini(spessoanchealdilà)dellascienza.L'obiettivodiunaspiegazioneultimadell'universo,nellasuatotalità,attraversolaformulazionediunaTeoriadelTutto,cherappresentaormaiilSacroGraaldellafisica,èunobiettivoancoralontano,semairaggiungibile.Lastoriainduceadunatteggiamentoumileeprudente.Dopotutto,finoalXVIsecolosipensavachel'universofosseracchiusoentrolasferadellestellefisseelasferadellestellefisseèandatainfrantumi.FinoagliinizidelXXsecolosiritenevachelaViaLattearappresentassel'interouniversostellareeinvecesonostatescopertealtregalassie(enonacasofuronoinizialmentechiamateuniversi-isola).Orasiconsideralapossibilitàcheciòchechiamiamouniversononsiadavverol'Universo,intesocometotalitàdiciòcheesiste,obbligandociaconiareneologismiqualequellodi"Multiverso".Senzacontarechelanostradescrizionefisicadell'universononincludelanostracoscienza,maalloraildiscorsociporterebbetroppolontano.

Chel'universoosservabilesiainespansioneechefossenelpassatoinunostatoadaltadensitàetemperatura,piùdi10miliardidiannifa,appareundatoincontrovertibileerappresentaunagrandescopertadellascienzadelXXsecolo.Madavverol'Universohaavutoun'origine?Haancoraunsensolanozioneditemponell'universoprimordiale?LacosmologiaèdestinataacompieregrandiprogressinelXXIsecolo:sonoentratiinfunzionedapochiannigranditelescopiaTerraconspecchifinoa10metrididiametroesonogiàinfasedistudionuovitelescopifinoa100metrididiametro,mentresaràlanciatounnuovotelescopiospazialedi8metri.Lafisicateoricaciriservasenz'altronuovestraordinariesorpreseriguardantiilmondomicroscopicoel'universoprimordiale.Nonostanteciò,appareimprobabilechesiriescaalevaredefinitivamenteilvelochenascondeallanostracomprensionel'origineultimadell'Universo,maforse,comenelcasodelSacroGraal,ciòcheimportanonètantoarrivareallameta,quantociòchesiapprendecercandodiraggiungerla.



Introduzione




OltreilBigBang


Letture

Letture

Letture

J.D.Barrow,TeoriedelTutto.Laricercadellaspiegazioneultima,Adelphi,Milano,1992;

CappiA.,2001,"Lascopertadell'universoinespansione",inViaggionell'universo,FabbriEditore,Milano,2001;

S.Hawking,DalBigBangaiBuchiNeri,Rizzoli,Milano,1988;

F.Lucchin(acuradi),"Cosmologia",inLeScienzequaderni,n.117,2000;

M.Rees,Primadell'inizio,RaffaelloCortinaEditore,Milano,1998;

L.Smolin,Lavitadelcosmo,Einaudi,Torino,1998;

S.Weinberg,Iprimitreminuti,Mondatori,Milano,1986.

http://boas5.bo.astro.it/~cappi/Cosmologia/index.html

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/index.html


LemolecoleorganichenellamateriainterstellareFrancescoSaverioDelliSanti

Premessa

Ilmateriale"rozzo":glielementichimici

Lenubiinterstellari

Leosservazioni

Leipotesigenerali

Ilproblemachimico

Ilproblemaastrofisico

Lereazionigassosenellenubioscure

Conclusioni

Appendice

Premessa

Ilconcettod'integrazionedisciplinareèpresentedatemponeldibattitosulladidattica.Sel'applicazionediquestoconcettoèfecondoingenerale,loèforseinmisuramaggiorenell'insegnamentodellemateriescientifiche.Lapresentazioneseparatadelledisciplinescientifichenell'insegnamentocurricularerischiadigenerare,infatti,un'immaginenoncorrettadell'evoluzionedelsaperescientificonelsuocomplesso.Inquestocontesto,purtroppo,lasituazioneattualeètalepercuil'Astronomia,perquantorappresentiundatoculturaleimportanteinsensogeneraleeperquantorappresentiunapartenontrascurabilerispettoalconcettodiunitàdelsaperescientifico(continuisonoesonostatinelpassatogliapportireciprocitraastronomia,fisica,matematica),nonvienepresentatainmodoadeguato.Frammentidiastronomiavengonotrattati,infatti,nell'insegnamentodellafisica,conparticolareenfasiallagravitazioneuniversaleedalruolodelleparticelleelementarinelleprimefasidell'Universo.Altriaspettidell'astronomia,(lamaggiorparte,apartiredallacosiddettageografiaastronomica)vengonotrattatinell'ambitodell’insegnamentodelleScienzenaturali.

Inuovicicliscolasticidiprossimaattivazioneintroducono,tuttavia,unripensamentonellosvolgimentodeiprogrammi.Laparolad'ordineè:bandoalnozionismoespazioainucleifondantideisaperi.Perquantoriguardaledisciplinescientifiche,questovuoldiresollecitareglistudentiacogliereifondamentideglistatutidisciplinariedancheleconnessionitralevariedisciplinescientifiche.

Abbastanzadirecente,dall'astronomia,inseguitoalleosservazionidellapresenzadimolecoleorganiche(imattonidellavita)nellenubiinterstellari,vieneuncontributoimportantealdibattitosullacomparsadellavitasullaTerraeinaltreregionidell'Universo.Ilquadrointerpretativocoinvolge,oltrechel'astronomia,disciplinequalilafisicaelachimica.Allabiologiailcompito,nonfacile,didareunsignificatobiologicoallacongeriedidatiteoriciesperimentalidisponibili.Emergedaquestocontestounconcettodidatticamentesignificativo.Quellocioèdellapartecipazionedeglioggettinaturaliadunprocessoevolutivosuscalauniversaledelqualesonoprotagonistilestelle,legalassieeglistessiesseriviventi.

Nelseguitovieneespostalaproblematicainterminideltuttogenerali,qualeindicazionediunpossibilepercorsodidattico,lasciandol'approfondimentodellevariepartidiessaaglispecialisti



Premessa


Lenubiinterstellari

Leosservazioni

Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice


LateoriadiDarwin,cheèoggiaccettatasenzadissensisignificativi,èlapietraangolaredellabiologiamoderna.Inostrilegamiancheconleformepiùsemplicidellavitamicrobicasipossonoconsiderarebendimostrati.Daunpuntodivistabiochimico,ladifferenzafral'uomoeilmicrobioèrelativamentebanale.Allivellochimicopiùrudimentalelavita,intuttalasuavarietàdiformeediespressioni,implicasemplicementel'interazionetraduegruppidisostanzebiochimiche:gliacidinucleicieleproteine.Lamiriadedipossibilidisposizionieredistribuzionediquestesottostrutturefondamentalicompongonolavastavarietàdelleformedivitapresentisulnostropianeta.

Unprimointerrogativoriguardal'originediquestifondamentaliblocchidacostruzionebiochimicidellavita.Ilmaterialerozzochecostituisceimattonidellavitaconsistedeglielementichimicidellatavolaperiodicadeglielementi.Studidellacrostaterrestre,deglioceaniedell'atmosferacidannoinformazionisull'abbondanzadiquestielementisullaTerra.MeteoritiecampionilunarifornisconounavalidaconoscenzadellacomposizionedelnostroSistemasolare.L'analisispettroscopicadelleatmosferestellaririvelalanaturadeglielementichimicichelecompongono.Daquestoquadroosservativoemergeunasostanzialeuniformitàperquantoriguardalacomposizionechimica.Leabbondanzerelativedeglielementisonochiamate"abbondanzecosmiche".LaTabella1mostrailnumerorelativodiatomidiciascunaspecieatomicarispettoall'idrogenofinoalferro.

elemento n.atomi/H energiaioniz.(eV)

H 1 13,6

He 1.2x10-1 24,6

C 3.7x10-4 11.3

N 1.2x10-4 14.6

O 6.8x10-4 13,62

Ne 6.3x10-4 21.6

Mg 3.4x10-5 7.7

Si 3.2x10-5 8.2

S 2.8x10-5 10.4

Fe 2.6x10-5 7.9

Na 1.3x10-6 5.2

Ca 1.6x10-6 6.1

Tabella1.Leabbondanzecosmiche

Dopol'elio,chenongiocanessunruolonellachimicainterstellare,ilgruppodeglielementicomprendentel'ossigeno,ilcarbonioel'azotocostituisce1/1000innumerodiatomirelativamenteall'idrogeno.Ilsuccessivogruppopiùabbondante,quellocostituitodalmagnesio,silicioeferro,haun'abbondanzarelativapiùbassadiunfattore10.Lozolfoèancherelativamenteabbondante.Pertanto,nellospazioglielementichesonorichiestiperlemolecoleorganichesonoipiùabbondanti.

Ènotocheiprocessidinucleosintesichehannodatoluogoallaformazionedielementiviaviapiùpesantiavvengononellestelledurantelefasievolutive,fattaeccezioneperl'idrogenoedunafrazionedielioformatisinelleprimefasidell'Universo.LeteoriediGamowedHoylehannopermessodidelineare,nelquadrodell'evoluzionestellare,loschemageneralediformazionedeivarielementiattraversounaseriediprocessi"agradino"(Fig.1).Fusionedell'idrogeno,dell'elioedielementipiùpesanti(finoalferro)infasisuccessive;catturedineutroninelmaterialeespulsodastelledigrandemassaquandoesploserocomesupernovaesonoiprocessiinvocatiperspiegarelanucleosintesidituttiglielementinoti.L'organizzazionedellamateria,alivellodicomplessitàatomica,èquindiunprocessocheèavvenutoedavvienetuttorasuscalacosmica.

Figura1.Ciclodiformazioneedevoluzionestellare.Apartiredallacontrazionediunanubeinterstellare,siformaunastellaallorquandosiinnescanolereazionidifusionedell'idrogeno,conproduzionedielio.Successivamente,lefasievolutivefannosìchenegliinternistellarisiforminoelementiviaviapiùpesantisinoalferro,asecondadellamassainizialedellastella.Quandoquestaèinferiorea1,44massesolaril'evoluzionesiconcludeconlafasedinanabianca.Lafasedisupernovaintervieneperlestellepiùmassicce,conespulsionedeglistratisuperficialidellastella,dandovitaanuovamateriainterstellare,piùriccadielementipesantidiquellainiziale,"pronta"perunasuccessivagenerazionestellare.Cliccasullafiguraper

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/dellisanti/delli1a.html

vederlaingrandita

Finoaqualchedecenniofasisupponevachelafasediorganizzazionesuccessiva,ossiaun'organizzazionealivellomolecolarechecomportavaassociazionidisingoliatomiperformareicomplessiblocchidacostruzionedellavita(molecolericchedicarbonio,comegliamminoacidi,impiegatidallecellulepersintetizzareleproteine)fossestataunaquestioneriguardanteesclusivamentel'ambienteterrestre.Nel1953Milllerattuòunesperimentomedianteilqualevennedimostratochesipotevanoformareamminoacididaunamisceladigas,chericalcavalacomposizionedell'atmosferaprimordialedellaTerra,assoggettataastimolienergetici.Siritenne,allora,cheenergiaprodottadall'azionediscaricheelettricheprodottedafulminiodallaradiazioneultravioletta(UV)irraggiatadaSoleavessepotutocostruireamminoacidiinun"brodoprimordiale".Inseguitoprocessievolutivichimico-biologiciavrebberodatoorigineallavita.

Sebbenel'esperimentodiMillerfosseinteressante,essononfuesentedacritiche.Laprimaèquellachegliamminoacidiprodottisonosolocinque(alanina,valina,leucina,glicina,acidoaspartico)suiventichecostituisconoilpatrimoniodegliorganismiviventi;lasecondaèchegliamminoacidiprodottisonodientrambeleforme,destrorsaesinistrorsa,mentreinvecegliorganismiviventipossiedonosoloamminoacididellaformasinistrorsa.

Nuovescoperte,chehannounarelazioneprofondacolproblemadell'originedellavita,sonodivenutedisponibilisolodirecente,daunacooperazionetravariediscipline:astronomia,fisica,chimicaeovviamentebiochimica.Ilpuntodipartenzaèstatalascoperta,grazieprincipalmenteallaradioastronomia,dinumerosemolecoleorganichenellenubiinterstellari,cioècatenemolecolaridiH,C,N,O.



Premessa


Lenubiinterstellari

Leosservazioni

Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice

Lenubiinterstellari

L'osservazioneotticacoltelescopiometteinevidenzailfattochenontuttalamateriadell'Universoècondensatainstelleopianeti.Siosservanoneibracciaspiraledellegalassie(Fig.2),compresalanostraGalassia,grandinubidimateriainterstellare,nellequalil'analisispettroscopicametteinevidenzal'esistenzadipolveriicuigranisonodelledimensionidiqualchemicronegascondensitàbassissime,dell'ordinediunatomopercentimetrocubo.Perconfrontosipensialfattochel'aria,allivellodelmare,necontieneinuncentimetrocubocirca50miliardidimiliardi.

Figura2.LagalassiaaspiraleNGC2997,simileallanostraGalassia.

Alcunediquestenubisonooscureepossonovedersiperilfattocheintercettano,suvasteareedicielo,lalucedellestelleretrostanti.Siparlainquesticasidinebuloseoscure.Esempidinebuloseoscuresitrovanounpo'dovunquelungolaViaLattea,nellaCrocedelSud(Fig.3),inOfiuco,nelSagittario,inOrione(Fig.4),nelCigno.LastessaViaLatteasispezzainduetronconiasuddell'Aquila,perl'interposizionedidensenubioscure,particolarmentespessenelSagittario(Fig.5).

Stelle90%Nubi10%dicuiil99%digasel'1%dipolveriTabella2.Datisullamateriarelativiadunagalassia,rispettoallamassatotale

Figura3.GruppidinubioscuresonovisibilinellanebulosaademissioneIC2948inprossimitàdellaCrocedelSud.Sitrattadeicosiddetti"Sacchidicarbone",possibilisedidiformazionestellare.Ilpiùgrandediessicontieneabbastanzamateriaperdarvitaasvariatestelleconmassapariaquellasolare.

Figura4.QuestacuriosanubeoscuranellacostellazionediOrione,dettaTestadicavalloamotivodellasuaforma,èunadellepiùnoteimmaginiastronomiche.Laformaatestadicavalloèun'estensionediunagrandenubedipolveri,nellapartebassadell'immagine.

Figura5.ImmaginegrandangolaredellaViaLattea,centrataversoilcentrodellanostraGalassia,totalmenteoscuratodapolveri,comeapparedall'emisferosud.Sonovisibilianchealcunenebuloseademissione.

Nonsempreperòquestiagglomeratidipolveriegassonooscuri.Avvienespessocheall'internoonellelorovicinanze

venganoatrovarsidellestelle.Leparticellesolide,igranulicontenutiinquestenubinediffondonolaluce.Lanebulosapresentaallorauncoloreazzurrasto,piùintensoinvicinanzadellestelledicuiessariflettelaluce.Talinubivengonodettenebuloseariflessione.Oppureigasdellanube,eccitatidall'energiadellaradiazioneelettromagneticaemessadallestelle,irradianolucepropria.Siparlaalloradinebuloseaemissioneonebuloselucide(Fig.6).

Figura6.LaNebulosadiOrioneèfamosapermolteragioni.Èlanebulosalucidapiùvicinaanoi(1500a.l.),nonchéinunostadiomoltoattivodiformazionestellare.Igasdellanebulosaemettonoinquantoeccitatidapiccoliammassidistellenellapartepiùbrillantedellanebulosastessa.

Figura7.LaCrabnebula,unadellepiùintenseradiosorgenti,ècostituitadagasinespansionedopol'eventosupernovaosservatodagliastronomicinesinel1054.Alcentrodellanebulosavièunapulsar,associataadunastelladineutroniinrapidarotazione,noccioloresiduodellasupernova.

Materianoncondensatainstellesonoancheiresiduidisupernova,gasstellariespulsinellafasediesplosionediunasupernova(Fig.7)elenebuloseplanetarie,stellecircondatedaunalonedigasdovutoallaperditadimassacuivannoincontrosuccessivamenteallafasedigiganterossa(Fig.8).

Figura8.LanebulosaplanetariaHelixèunadellepiù

vicinenebuloseplanetarie,distantedanoisolo400a.l..Ilsuodiametroèdicircamezzogrado,lostessodelSole,avendoundiametrolinearedicirca150unitàastronomiche(150volteladistanzaTerra—Sole).

nubidiffuse nubioscure

COMPOSIZIONE atomi molecole

H2/H 0.05–102 102-105

DENSITÀ(particelle/cm3)

10–103 103-107

TEMPERATURA(oK)

50–300 7-50

CAMPOUV importante assenteoquasi

IONEPRINCIPALE. C+ S+,Mg+,ionimetallici

POLVERE scarsa 1%inmassa

PROFONDITÀOTTICA trasparente opaca

Tabella3.Caratteristichedellenubiinterstellari



Premessa


Lenubiinterstellari

Leosservazioni

Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice

Leosservazioni

Lostudioquantitativodelmezzointerstellareiniziòdopochelaspettrografiaresepossibilel'analisidettagliatadellaluceprovenientedallestelle.

Nel1904FranzHartmannsuggerìchelarigainassorbimentodelcalcioionizzato,visibilenellospettrodialcunestellebrillanti,avesselasuaoriginenellospaziointerstellare.Inseguitositrovòcheancheilsodioneutroerauncostituentedelmezzointerstellare.

Nel1937siscoprìchel'idrogenoèl'elementopiùabbondantedell'Universoecheperciòdovevacostituirelamaggiorpartedelmezzointerstellare.Siritenevachel'idrogenofossepresentepiùcomeatomosingolochecomemolecolabiatomicaH2.Semprenel1937fuscopertalaprimamolecolainterstellare,ilradicalechimicodicarbonioeidrogeno(CH).

IlradicaleionizzatoCH+edilradicalecianogenoCNfuronoidentificatinelcorsodeiquattroanniseguentineglispettridialcunestellebrillantiditipoOeditipoB:spessositrattavadellestessestelledavantiallequalisieranoosservatelenubiconrighedovutealcalcioedalsodio.

Funel1951chelasituazione,perquantoriguardaleosservazionidimolecoleinterstellari,ebbeunimpulsoconl'avventodellaradioastronomia.Unodeimaggioritrionfidiquestatecnicafuinfattilascopertadellarigaallalunghezzad'ondadi21cm(1420Mhz)dovutaatransizioneiperfinadellospindell'idrogenoatomico.SicompreseinfrettacheleosservazioninelcamporadiopotevanopenetrarecompletamenteattraversolaGalassia,perchéleradioondenonsonoassorbiteinmanieraapprezzabiledallepolveriinterstellari.Neglianniimmediatamenteseguenti,larigadell'idrogenoa21cmvenneusataperstudiareilcomportamentodelgasdiffusonellaGalassiaefupossibiletracciarnel'interastrutturaaspirale,sfruttandol'effettoDopplerdovutoallavelocitàdirotazionedellevarieparti.PrimalasieraappenaintuitaattraversoiconteggistellariadoperadiHerschel.

Daquelmomentofuunsusseguirsidiscoperte,resepossibilidallosviluppostrumentale.Nel1963fulavoltadellascopertadell'ossidrileOHinemissioneinregioniHII.Nel1968avvennelascopertadellaprimamolecolacompostadapiùdidueatomi,avvenutaadoperadiTownesedaltri.Sitrattavadellamolecoladell'ammoniacaNH3,presenteinnumerosenubiinterstellariindirezionedelCentrogalattico.

Questascopertaalteròprofondamenteilconcettodichimicainterstellare,percuiil1968puòdirsil'annodinascitadell'astrochimica,nuovabrancadell'Astronomia.Finoaquel

momentoinfattisiritenevachelabassadensitàdelmezzointerstellarerendessedifficile,senonimpossibile,lacombinazionedipiùdidueatomi.SiprevedevaditrovarenellospaziointerstellarealpiùmolecolebiatomicheecheanchequesteavesserounavitabreveacausadeglieffettidistruttividellaradiazioneUVedeiraggicosmici.

Apartiredaquell'annofuunsusseguirsidiscopertedimolecolesemprepiùcomplesse,finoatrediciatomi.Nel1970fulavoltadellascopertainnubiinterstellaridellamolecoladiH2ecosìvia,finoaigiorninostri.InAppendicevienepresentatounelencoincompletodimolecoleorganicheosservate,conl'indicazionedell'annodellascopertaedellabandaelettromagneticanellaqualesonoeseguiteleosservazioni.SulsitoInternethttp://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html èdisponibile,invece,unelencoaggiornato:al24/1/2001nesonoriportate121.

NelcorsodiquestiannilaGalassiaèstataintensamenteosservataallelunghezzed'ondacaratteristichedell'OH,dellaformaldeideH2COedell'ossidodicarbonioCO.Leosservazionihannomostratochequestemolecole,cosìcomel'idrogenoatomico,sonofortementeconcentrateindirezionedelpianocentraledellaGalassia,inunostratocheinprossimitàdelSolehaunospessoredi1000anniluce.LemolecolesembranoesseredistribuiteuniformementeneldiscoeraggiungonoconcentrazionimaggiorinellevicinanzedelCentrogalattico.Laformaldeideel'ossidodicarboniosonodistribuitiallostessomodo,mentrelamaggiorpartedellealtremolecoleinterstellarisiosservasoloinpochissimeregioni,operchéprobabilmenteassentioperchésitrovanoinunostatononeccitato,percuinonemettononéassorbonosegnalimisurabili.

Ungrande"serbatoio"dimolecoleèanchecostituitodallaNebulosadiOrione.UnagrandenuvoladiCOescedallanebulosaedentranellanubediHcircostante.Simileèladistribuzionedell'OH.NubididimensioniminoridiacidocianidricoHCNsitrovanonellapartecentraledellanebulosa.NelleimmediatevicinanzedeglioggettiinfrarossisiosservanoforticoncentrazionidiformaldeideH2CO,alcolmetilicoCH3OH,solfurodicarbonioCS,cianogenoCN,ammoniacaNH3ecianoacetileneHC3N.

AltraregionericcadimolecoleèlanubenotacomeSagittarioB2.Taleregioneècaratterizzatadall'enormedensità(finoa108particelle/cm3)edallesuedimensionidicirca20anniluce.UnasignificativafrazionedelmaterialeinterstellareècomunquecontenutoinnubigigantideltipodiSagittarioB2.Ladensitàintalinubièmediamentedi102-103H/cm3mentrelatemperaturaèbassa(dell'ordinedi10oK).Lacaratteristicapiùimportanteditalinubiètuttaviacostituitadalledimensioni,finoa100parsec,edallaloromassafinoa2x105massesolari.

Ènotoqualisianoiprocessichefannosìcheungasatomicoemettaoassorbaenergia,producendorigheosservabilinellospettrovisibile:sitrattainbuonasostanzaditransizionitradiversilivellienergeticidiscreti,conseguentiadeccitazionioaricadutaspontaneaalivellipiùbassidopol'eccitazione.Nellabandaradiodellospettroelettromagnetico,larigadell'idrogenoa21cmdilunghezzad'ondaèdovutaadunatransizionetraiduelivellienergeticicaratterizzatidalladiversaorientazionedellospinelettronico(daparalleloadanti-parallelo).Lapiccoladifferenzafraiduelivellienergetici(transizioneiperfina)fasìcheiprocessidiemissioneodiassorbimentodianoluogoadondeelettromagneticheafrequenzaminorediquellecaratteristichedelvisibileequindiosservabileneldominioradiodellospettroelettromagnetico,mediantel'utilizzodiradiospettrografi.

Leparticolaririghespettralicheindicanolapresenzadimolecolenellenubiinterstellari,siformanoquandoesse,oglielettronicheleformano,modificanoillorostatoenergetico.

Ognimolecolatendearuotareintornoalproprioassedisimmetria.Cambiamentinellarotazionelafannoirraggiareoassorbireenergiaelettromagneticaalunghezzed'ondachesitrovanonormalmentenellabandadellemicroonde:radiooinfrarosso(lunghezzed'ondacompresefra1mme6cm).

Ancheilmotovibrazionalepuòcambiare,provocandol'irraggiamentool'assorbimento,dapartedellamolecola,diradiazioneinfrarossa.Ilsolfurodicarbonio,CS,èl'esempiodelpiùsemplicetipodimolecola:unamolecolalinearebiatomica.Neilivellipiùbassidienergiaelettronicaevibrazionale(gliunicistatipopolatinellospaziointerstellare),imotipossibilidellamolecolasonoilsemplicemovimentoinunadirezioneedunarotazionecontinua.IlivellienergeticisonodefinitidainumeriquanticiJ,chesonounamisuradelmomentodirotazionedellamolecola.Unavoltaeccitataepoilasciataasestessalamolecolaemettespontaneamenteunfotoneecadenellivellofondamentaleinuntempomediodiquattroore.Iltempochelamolecolapassaneilivellienergeticipiùaltièminore.NellenubiinterstellarisiosservailCSneilivellieccitati:quindicideveesserequalchemeccanismochemantienelemolecolediCSinquestilivelliechesiopponeallatendenzadidecaderespontaneamente:campidiradiazioneocollisioni?

AltroesempioècostituitodallamolecoladiammoniacaNH3aformaditetraedroconunatomodiazotonelvertice,aldisopradelpianoformatodatreatomidiidrogeno.L'atomodiidrogenopuòoscillaredaunaparteall'altradelpiano.ComerisultatociascunlivellodienergiarotazionaleJèdivisoinduelivelliravvicinati(unasituazionesimileaquellacuisièaccennatonelcasodellatransizioneiperfinadapartedell'Ha21cm).Letransizionitraiduelivellisonotransizionidiinversioneesihannoallalunghezzad'ondadi1,3cm,osservabiliquindiinradio,sempremediantel'utilizzodiradiospettrografi.



Premessa


Lenubiinterstellari

Leosservazioni

Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice

Leipotesigenerali

Unaprimaipotesiperspiegarel'esistenzadimolecoleorganiche,catenediidrogeno,carbonio,ossigenoedazoto,nellamateriainterstellareèquellachelefaderivaredalladegradazionedigranidipolverinellospaziointerstellareTuttaviaquestaipotesinonreggeadunesamepiùapprofonditoperalmenoduemotivi:

puòspiegaremenodell'1%rispettoaquantorichiestodaidatiosservati;nellospaziointerstellareintervieneunarapidadissociazionedellemolecolepereffettodellaradiazioneUV.

Unasecondaipotesièquellarelativaall'espulsionedellemolecoleorganichedapartedistelle"fredde"(1000-2000oK).Glispettridelleatmosferedistelle"fredde"mostrano,infatti,bandemolecolari.Inparticolarifasievolutive,caratterizzatedaperditadimassadapartediunastella,lamateriadicuiècompostal'atmosferastellarevieneeffettivamentedispersanellospazio.Ancheinquestocaso,tuttavia,ilcampodiradiazioneUVnellospaziointerstellareprovvederebbeadunalororapidadissociazione.Inaltreparole,lavitamediadiunamolecolanellospaziointerstellarenonpermettelasuadefinitivacollocazioneinnubigeneralmentemoltodistantidallastellastessa.

Sipuòalloraconcludereche,apartequalcheeccezionelocale,lemolecoleinterstellarisisonoformateinsitunellenubiinterstellariattraversoreazionidiretteinfasegassosaoperinterventodellepolveridicuilenubi,speciequellemolecolari,sonoricche.Gliatomiegliionipiùabbondantisonoconvertitiinmolecolepermezzodireazionichimicheechetalimolecole,alorovolta,prendanoparteasuccessivereazionicheconduconoamolecolesemprepiùcomplesse.



Premessa


Lenubiinterstellari

Leosservazioni

Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice

Ilproblemachimico

Unproblemachimicoèconnessoalfattochelebassetemperaturecaratteristichedellamateriainterstellarenonconsentonodisuperarelebarrierediattivazioneperilverificarsidiqualunquereazionechimicaordinaria.Piùindettaglio,leparticellereagentidevonopossedereunacertaenergiaper"collegarsi"traloroeformareunamolecola.Perungaschesitroviincondizionidiequilibrio,l'energiamediadelleparticelledipendedallatemperatura.Sipuòquindidirese,statisticamente,inungassonopossibili,omeno,certereazionichimiche.Alletemperaturacaratteristichedellenubiinterstellari,qualchedecinadigradiKelvin,l'energiacineticadelleparticelleèestremamenteridotta,percuituttiiprocessichimicinoti(reazionitermiche)procedonoavelocitàtalmentebassedanonpoterinalcunmodospiegareleabbondanzemolecolarisuggeritedalleosservazioni.

Occorreprendere,allora,inconsiderazionereazionitraspecieionizzate(reazioninontermiche).Inquestocasolacaricadelloioneinducecaricheelettrichedisegnocontrarionegliatomicircostanti,conconseguenteinterazioneelettricadiattrazionetraledueparticelle.Questomeccanismodiattrazioneagisceadistanzemoltomaggioridiquelleallequalisifannosentireleforzediattrazionetraparticelleneutre.Lereazionichimichetraspecieionizzatepresentanomoltivantaggi,rispettoaquelletraspecieneutre:

frequenzedellecollisionitraioniespecieneutreda100a1000voltemaggioridiquelletraspecieneutre;leforzeattrattive,chesisviluppanoquandounoioneedunaparticellaneutrasiattraggonosinoalladistanzadiqualcheraggioatomico,produconoun'energiasufficienteavincerelamaggiorpartedellesogliediattivazione.Inaltreparole,lereazionitraioneedunaparticellaneutrahannobassissimesogliediattivazione;altaefficienzadellereazioniione-particellaneutra,percuilereazioniesotermichetraunoioneedunaspecieneutraavvengonoconun'efficienzaquasiunitaria;levelocitàdellereazionitraspecieionizzatesonolargamenteindipendentidallatemperaturaesonopiùelevatediquelletraspecieneutre.



Premessa


Lenubiinterstellari

Leosservazioni

Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice


Ilproblemaastrofisicoèoraquellodiverificareseesistonoeconqualimodalitàlecondizioniperavereadisposizioneioni,innumerosufficiente,periprocessidiformazionemolecolarenellenubi.Esistonosituazionidiversenellenubidiffuseedinquelleoscure.

Neglispaziinterstellarigliatomivengonoionizzatidairaggicosmici,dairaggiXedallaradiazioneUVprovenientedallestelledelfondogalattico.Ifotoniconenergiamaggioredi13,6eVvengonoutilizzatinellaionizzazionedell'idrogeno,l'elementopiùabbondante,chesitrovanelleimmediatevicinanzedellestelle.LoioneH+èdifondamentaleimportanza,poichécostituisceunodeipuntidipartenzadellachimicainfasegassosa,tramiteuntipodireazionechevasottoilnomedireazioniditrasferimentodicarica:

Pertanto,quandolaradiazioneUVraggiungeunanube,essacontienesolofotoniconenergiainferiorea13,6eV.IlflussogalatticoUV,allorchéinvesteunanube,nonèingrado,quindi,diprocedereallaionizzazionedielementipresentinellanubestessa,lecuienergiediionizzazionesianoinferioria13,6eV,qualiH,He,O,N,Ne(v.Tabella1).QuestiatomivengonoionizzatidairaggicosmiciodairaggiX.Quelliinvececonenergiediionizzazionesuperioria13,6eV,tracuiC,S,Si,possonovenireionizzatianchedaifotoniUV,neiconfrontideiqualilenubidiffusesonotrasparenti(v.Tabella2).

Tuttavia,ilflussodeifotoniUVèmaggiorediquellodeiraggicosmiciedeiraggiXdiunfattore106–107.QuindiloionepiùabbondantenellenubidiffuseèC+,nonostantelamodestaabbondanzadelcarbonio(rispettoall'idrogeno),comunquesuperioreaquelladiSeSi.Questospiegailfattochetralediversechimicheorganichepossibili,nellamateriainterstellareèprivilegiataquellachesibasasullachimicadelcarbonio:èloionepiùabbondantedopol'idrogenoel'elio(chetuttaviaèinerte),seguitodaazotoedossigeno(v.Tabella3).Inalcuniraccontidifantascienzasifariferimentoaesseriviventicostruitisullachimicadelsilicio,anzichésuquelladelcarboniocomeèinvecesullaTerra.Inlineadiprincipio,nonvisarebberocontroindicazioni,stantelacapacitàdelsiliciodisostituireilcarbonionellecatenemolecolari.Rimanetuttaviailfattocheilsilicioèmenoabbondantediunfattore10delcarbonio,inquantopuòessereformatonellestelleinfasievolutivesuccessiveaquellacheproducecarbonio(gigantirosse)equindiinstellepiùmassicceeconseguentementepiùrare.Inconclusionelachimicadelcarbonioèlapiùprobabile.

Nonesplicitiamoquilereazioniinfasegassosa(nonè

competenzadell'astronomo)traspecieionizzatechepossonorendereragionedellemolecoleosservateenelleabbondanzeosservate.Questoècompitodellachimica,omegliodell'astrochimica.Comeècompitodellachimica,edinparticolaredellacineticachimica,studiarelevelocitàdellereazionieleconcentrazionimolecolariprodotte.Inunoschemadireazione ,lavelocitàconcuicambialaconcentrazionedin(M)diMneltempoèproporzionalealleconcentrazionin(A)edn(B)dellespecieAeBsecondounacostantediproporzionalitàdetta"coefficientedivelocità"edipendeanchedauna"velocitàdidistruzione",coefficientechefornisceilnumerodimolecoleprodottechevengonotuttaviadistruttepereffettodelcampodiradiazioneUV,Xeraggicosmici.L'equilibriovieneraggiuntoquando,indipendenzadeiduecoefficienti,tantemolecolesiformanoquantesenedistruggononell'unitàditempo.Nellachimicainterstellareèdiinteresselavalutazionedel"coefficientedivelocità"inviateoricaosperimentale,relativamenteallediversereazionitralespeciepresentinellenubiinformaelementareedaidiversitipidireazione,cosìcomeimeccanismididistruzionedeiprodottiedilvaloredella"velocitàdidistruzione"alfinediottenerevaloridin(M)corrispondentialleosservazioni.



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Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice


Nelcasodellenubioscure,ladensitàdellanubeètalecheessasiautoschermaprogressivamenteneiconfrontidelflussoUV.NellepartipiùinterneilflussoUVèdeltuttotrascurabileeiprocessidiionizzazione,necessariperlachimicatraspecieionizzate,sonoaffidatiunicamenteairaggicosmici.Pertantolafrazionediionipresentièminorediquellachesiriscontranellenubidiffusediunfattorechevariada100a1000.

Questofattopotrebbefarpensarecheall'internodiquestenubilereazionichimichetraspecieionizzaterisultinorallentate.Tuttavia,acausadellaaltadensitàdellanube,illiberocamminomediodelleparticellerisultaassairidotto,mentreèsensibilmentepiùlungalalorovitamedia,perl'assenza(oquasi)delflussodiradiazionechecomportadissociazione.Neconseguelapossibilitàdireazionicheformanomolecoleanchenellenubioscure.Adesempio,nelcorsodellacondensazionecuivaincontrounanubediffusaperdiveniremolecolare,unagranpartedegliioniC+vienetrasformatainCOattraversounaseriedireazioni,allalucedellequalilamolecolaCOrisultalapiùabbondantedopoquelladell'idrogeno(CO/H=10-4).

Nellenubioscurehannograndeimportanzaigranidipolveredeiqualitalinubisonoricche(v.Tabella4).Sutaligranièpossibileunachimicadisuperficie,chespiega,adesempio,laformazionedellamolecolaH2,laquale,formataapartiredadueatomidiidrogeno,èfortementeinstabilee,appenaformata,decadequasiimmediatamenteneidueatomireagenti.

Diametro:0.1—0.3micronDensitàspazialemedia:1particellaper100m3Composizione:grafite,silicatidimagnesio,carburodisilicio(SiC),magnetite(Fe2O3),carbonatodimagnesio(MgCO3),carbonatodicalcio(CaCO3)ferro,ghiacci(NH3,CH4)Tabella4.Igranidipolveri

QuestofattoharesopermoltotempoinspiegabilelapresenzaabbondantediH2nellenubiinterstellari.Setuttaviatalereazioneavvienesuunasuperficie,comeigranidipolvere,l'energiaineccessodellamolecolaalmomentodellasuaformazionepuòesserecedutaallasuperficieprimacheintervengaladissociazione.IntalmodolamolecolaH2si

stabilizza.

Apartel'H2,lachimicadisuperficiesirivelacapacediformaremolecolebenpiùcomplesse.



Premessa


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Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice

Conclusioni

Aconclusionesipuòdirechechimicainfasegassosa,chimicadisuperficie,fotolisideigranidipolveresembranoalmomentoviecapacidispiegarelasintesi,nellamateriainterstellare,dimolecoleanchealquantocomplesse,tracuiHCO,HNCO,H2CO,HCONH2,HCOOHe,inalcunicasi,ancheglicina,alanina,altriaminoacidi,basidiacidinucleici,ureaepersinozuccheri.Nell'Universosonodunquedisponibilii"mattoni"dellavitaingrandeabbondanza.

IlprocessodiformazionedelSistemasolareapartiredaunanubeinterstellareprodusse,oltrealSoleedaipianeti,corpidipiccoledimensioniqualilecometeegliasteroidi.Talicorpiminorinonhannoconosciutoletrasformazionicuisonoandatiincontroipianetiequindiconservanoletraccedellanubeoriginaria.ÈcertocheosservazionidicometequaliquelladiHalley,laHale-BoppelaHyakutakehannorivelatoinesseunagrandeabbondanzadicompostiorganici.QuandounacometaattraversalaregionerelativamentecaldadelSistemasolareinterno,ilsuostratosuperficialesivaporizzaingasepolvereche,inparte,vengonoattrattidalcampogravitazionaleterrestre.SistimachelapolvereinterstellarechecadesullaTerraapportaognigiornocirca30tonnellatedimaterialeorganico.Perquantoriguardaiframmentidiasteroidichecolpisconoilnostropianetasottoformadimeteoriti,essisonocostituitiperlopiùdarocceecompostimetallici,maalcunicontengonoanchesostanzeorganichecomebasidegliacidinucleici,ammineeammidi.

Dellagrandevarietàdicompostiorganiciestrattidallemeteoriti,quellichehannomaggiormenteattiratol'attenzionesonole70varietàdiammminoacidi,dicuiottoappartenentialgruppodei20impiegatidallecellulepersintetizzareleproteine.Maquellochepiùconta,conunaprevalenzadiamminoacidisinistrorsi,caratteristicaquestadiquellidegliorganismiviventi.

CiòstaasignificarechereazionichimichecheproduconocompostiorganicidiinteressebiologicosemprepiùcomplessicontinuanoadavvenireneighiaccichecostituisconolecometeenelleregionipiùfreddedelSistemasolare.Esuladallapanoramicageneralefinquimostratal'analisiditaliprocessi,iqualicostituisconouncampodiricercaattuale,interessanteedaffascinanteechecoinvolgeinegualmisuraastronomi,chimiciebiologi,inmeritoaiqualirimandiamoallavastaletteraturaesistente,siaspecialisticachedivulgativa.



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Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice

Alcunemolecolenellenubiinterstellari

DaJ.C.Pecker:Capirel'Astronomia,Hoepli,Milano,1985


http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/dellisanti/dellisanti.html

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/dellisanti/delli1.html











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Leipotesigenerali

Ilproblemachimico



Conclusioni

Appendice

Letture

Letture

Letture

M.Ageno,Dalnonviventealvivente,EdizioniTheoria,Roma-Napoli,1991

M.P.Bernstein,S.A.Sanford,L.J.Allamandola,"Dallospaziolemolecoledellavita",inLeScienze,n.373,1999

*W.W.Duley,D.A.Williams,InterstellarChemistry,AcademicPress,1984

F.Hoyle,C.Wickramasinghe,Lanuvoladellavita,Mondadori,1979

*Singh,P.(acuradi),AstrochemistryofCosmicPhenomena,IAUSymp.N.150,KluwerAcademicPublishers,Dordrecht,1992

B.E.Turner,"Lemolecoleinterstellari",inLeScienze,n.58,Milano,1973

*Vardya,M.S.;Tarafaldar,P.(acuradi),Astrochemistry,IAUSymp.N.120,KluwerAcademicPublishers,Dordrecht,1986.

Ivolumicontrassegnatidaasteriscocostituisconoletturediapprofondimento


http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/dellisanti/dellisanti.html










http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html

http://www.science.gmu.edu/~jmirick/csi904/project.html

http://wwwusr.obspm.fr/departement/demirm/list-mol.html

http://www-691.gsfc.nasa.gov/~ice/LabPage/interste.htm

http://www.rpi.edu/~nummea/molecules/molecules.html


DinamicaeformazionedelSistemasolareRobertoBedogni

Introduzione

IlSistemasolare

LeleggidiKeplero

Lameccanicaceleste

Leorbitedeipianeti

L'importanzadelleorbitenelladeterminazionediunmodellodiformazioneplanetaria

VincoliteoriciedosservativiallacostruzionediunmodellodiformazionedelSistemasolare

Conclusioni

Introduzione

L'astronomiaplanetariasidedicaessenzialmenteallostudiodeicorpicelestinelSistemasolare.Permoltotempol'attenzionedegliastronomiedeifisicisièconcentratanellostudiodeimotideipianeti,ma,conl'iniziodeglianniSessanta,sièapertaunafruttuosastagionediesplorazionedelSistemasolarecheharaggiuntoilsuoapiceconlemissioniVoyagerversoipianetiesterni.Nonsonocertomancatelemissionidisondespazialidiretteancheversoipianetiinterni,alcunedellequali,comelaMarsGlobalSurveyor,ancoraincorso.Laquantitàdidatiraccoltaèenormeedhaapertolastradaanuovedisciplinerelativeallostudiodeipianeti:climatologia,geologiaeplanetologiacomparata.Èstataperòlascopertadinuovisistemiplanetari,instelledellaViaLattea,chehadatonuovoimpulsoallostudiodeimeccanismichepresiedonoallaformazionedelSistemasolare

Giàinunprecedentearticolo"LagenesidelSistemasolare"—pubblicatoinLeggereilCielo,Supplementon.1alGiornalediAstronomiadelmarzo2000contenentelelezionidiuncorsodiaggiornamentoperinsegnanti—abbiamodescritto,siadalpuntodivistastoricocheastronomico,leteoriediformazionedelSistemasolare.Nonciripeteremodunquesugliaspettigiàtrattatibensì,acompletamentodiquantoesposto,approfondiremoladinamicadelmotodeipianetielostrettolegameconleteoriediformazionestellare.



Introduzione

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Leorbitedeipianeti



Conclusioni

IlSistemasolare

PrimadiaffrontareilproblemadellaformazioneplanetariaricordiamoalcunedelleprincipaliproprietàdelSistemasolare.

Ipianetiinterni(Mercurio,Venere,TerraeMarte)sonocostituitidaunnucleometallicocircondatodaunostratodisilicati.Nelpassatotuttiequattrosonostatimodificatidall'attivitàvulcanicaetettonicaedall'impattodeimeteoriti,maoggisololaTerraètettonicamenteattiva,ancheseigasprodottidaivulcanihannoformatoleatmosferediVenereediMarte.

IpianetiesternisonoseparatidaquelliinternidallacinturadegliAsteroidi,frammentidirocciacondiametrichevarianodaalcunemigliaiaapochichilometri.Iquattropianetigiganti(Giove,Saturno,UranoeNettuno)contengonoil99%delmaterialedelSistemasolare,esclusoilSole.Sonodeglisferoididigasd'idrogenoedelio,conmiscuglidimetano,ammoniacaedacqua,nelcuiinternol'idrogenosiècondensatoinidrogenoliquido,edhanno,probabilmente,unnucleocostituitodametalli,silicatiedacqua.TredeipianetigigantiirradianopiùcalorediquantonericevanodalSole,mentre,curiosamente,soloUranononpresentaquest'eccessodicaloreedhaunarotazioneretrograda.

NellapartepiùesternadelSistemasolaresitrovaPlutoneconilsuosatelliteCaronte,grandelametàdelpianetaprincipale.Plutonehaunasottileatmosferadigasmetanoe,comeilsuosatellite,èprobabilmentecostituitodighiaccioemetano.Lecomete,composteanch'esseprincipalmentedighiaccio,orbitano,intrappolatedalcampogravitazionaledelSole,ailimitidelSistemasolare.Essepercorronodelleorbite"aperte"oppure"chiuse"ritornandoperiodicamente,inquest'ultimocaso,apassareinprossimitàdeipianeti.



Introduzione

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Conclusioni

LeleggidiKeplero

NellasecondametàdelSeicento,purtramilledifficoltà,ilmodelloeliocentricosiandòsostituendoalmodellogeocentrico.LaconcezionecopernicanaoffreunapiùaccettabilevisionefisicaedabolisceilprivilegiodicentralitàconferitoallaTerra.Discriminaretraledueconcezioni,quellageocentricaequellaeliocentrica,potéesserefattosolocompiendoaccurateosservazionidelleposizionideipianeti,delSoleedellaLunaedelaborandoirisultaticonanimoscevrodapregiudizi;ancheacostodirivederedallefondamentaleideecorrentisullafisica.

InquestoprogrammadilavorospiccanoinomidiJohannesKepler(1571-1630),GalileoGalilei(1564-1642)edIsaacNewton(1642-1727).ScriveThomasKuhnneLaRivoluzioneCopernicana,che"ilDeRevolutionibusdiCopernicocostituìlamicciadiunarivoluzionecheessoavevaamalapenadelineato.Èuntestocheprovocaunarivoluzionepiùcheuntestorivoluzionario".

IprimiedimportanticontributiversounanuovadefinizionedelSistemadelMondovennerodaKeplero,chepotéutilizzareosservazionidiMartemoltopreciserealizzatedalsuomaestroTychoBrahe(1546-1601).Dopovaritentativi,attuatinelcorsodidieciannidilavoro,Kepleropervenneinmodoempiricoallaformulazionedelletreleggicheportanoilsuonome:

Ialegge:ipianetidescrivonointornoalSoledelleorbiteellittiche,dicuiilSoleoccupaunodeifuochi;

IIalegge:leareedescrittedalraggiovettorediciascunpianetasonoproporzionaliaitempiimpiegatiadescriverle;ossia,ilraggiovettorediunpianetadescriveareeugualiintempiuguali;

IIIalegge:iquadratideitempidirivoluzionedeipianetiintornoalSolesonoproporzionaliaicubideisemiassimaggioridellerispettiveorbite.



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Conclusioni

Lameccanicaceleste

LeleggidiNewtoncostituisconolabasesucuisifondalameccanicaceleste,lascienzachestudiaglieffettidelleinterazionigravitazionalitracorpicelestiedhacomeconseguenzadirettaleleggidiKeplero.Conl'utilizzodellaforzadigravitazioneuniversale

(m1edm2lemassediduecorpigravitanti,dlalorodistanza,FlaforzaagenteeGlacostantedigravitazioneuniversale)edellasecondaleggedelladinamicadiNewton

(attenzione,quiaèl'accelerazionedelcorpodimassamsoggettoallaforzaF)sipossonoritrovareedestendereirisultatiempiriciriassuntinelletreleggidiKeplero.

Inparticolare,laformadelleorbitediuncorpointornoadunaltrorisultaesserepiùingeneraleunaconica,cioèun'ellisseounaparabolaounramodiiperbole,asecondadellecondizioniinizialiperlaposizioneelavelocità.Piùprecisamente,iduecorpidescrivonounaconicaintornoalbaricentrocomune,verificando,così,laprimaleggediKeplero.Setuttaviaunodeiduecorpièmoltopiùmassicciodell'altro,ilbaricentrocoincideinpraticaconlasuaposizioneesipuòparlaredimotodiuncorpointornoall'altro.

LaterzaleggediKeplerovieneprecisatadaNewtonnellaforma

condcherappresentailsemiassemaggioredell'orbitaelacostante ,assumendoconm1lamassadiunpianetaeconm2quelladelSole.

NelSistemasolarelasommadelleduemasse,inprimaapprossimazione,siconsiderapraticamenteugualeallasolamassasolare,datalarelativapiccolamassadeipianeti,quindiunacostante.Nelcasodisistemibinaridistelle,neiqualilemassestellaripossonoesseredellostessoordinedigrandezza,laterzaleggediKeplerovautilizzatanellaformageneralizzatadiNewton.



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Leorbitedeipianeti



Conclusioni

Leorbitedeipianeti

Vediamoinmaggioredettaglioglielementichepermettonodiconfigurarel'orbitadiunpianeta.Ladefinizionedelpianodell'orbita,l'orientazionedell'orbita,laformadell'orbitaeglielementimeccanicidelmoto,visualizzatinellafigura1,sonoglielementichecaratterizzanoilproblemadell'orbitadeipianeti.

Figura1.

Perorientarel'orbitasulpianoèsufficienteindividuareladirezionedelsuoassemaggioreoppurefissareladirezionedelperielioP,cioèl'angoloo,dettoanchedistanzaangolaretraperielioenodo.Determinarelaformadell'orbitavuoldirefissarelalunghezzadelsuosemiassemaggioreael'eccentricitàe.Indefinitiva,quindi,i6elementiorbitali,necessariadefinireun'orbita,sono:ilsemiassemaggiorea,l'eccentricitàe,l'inclinazionei,lalongitudinedelnodoascendente ,ladistanzaangolaretraperielioenodooel'istanteTdelpassaggioalperielioPerindividuareun'orbitasononecessariealmenotreosservazionichefissinotrecoppiedivalori(trecoordinatenelsistemaeclitticale).Conquestidatièpossibiletrovareiseielementiorbitali,incogniti,ancheselasoluzionediquestoproblemaèmoltocomplicataedesuladagliscopidiquestocorso.

Leorbitesonodescritterispettoadunpianodiriferimento.Peripianetiquestoèilpianodell'orbitaterreste(l'eclittica);perisatellitièilpianochecontienel'equatoredeirispettivipianeti.Iduepuntiincuil'orbitaintersecailpianodiriferimentosonodettinodi.Ilnodoascendenteèdefinitodalpassaggiodaposizionisottoalpianodriferimento(negative)aposizionisopraalpianodiriferimento(positive).Ilnododiscendenteèdefinito,alcontrario,comeilpuntodipassaggiodaposizionipositiveaposizioninegative,mentrelalineachecongiungeinodièdettalineadeinodi.

Perdefinirel'orbita,sifissaprimadituttol'angolodi

inclinazioneitrailpianodell'orbitaeilpianodiriferimento,poisifissal'angolo ,dettolongitudinedelnodo,contatodalpuntogammaalnodoascendente



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Lameccanicaceleste

Leorbitedeipianeti



Conclusioni


IprimimodellidiformazionedelSistemasolarecercaronodirendereconto,inmodoqualitativo,deiprincipalidatiosservativi.Leorbitedeipianetisonoprossimealpianoorbitaleterrestre,ilpianodell'eclittica;leorbitenonsonofortementeellittiche(esclusal'orbitadiPlutone,scopertonel1929);tuttiruotanonellostessosensocheèpurequellodirotazionedelSole,aeccezionediUranochehaunmotodirotazioneretrogrado;infine,ledistanzeeliocentrichepresentanounacertaregolaritàespressadaunarelazioneempiricatrovatadaTitiuseBodenelXVIIIsecolo.

AllafinedelXIXsecolo,inoltre,ifisiciteoricidedicaronoparticolareattenzionealproblemadelmomentoangolarenelSistemaSolare.

Permomentoangolareinfisicasiintendeunaquantitàchemisural'intensitàdellarotazionediuncorpoattornoalproprioasse.SupponiamodiavereuncorporigidodimassaMcheruotasusestesso,adunavelocitàangolarew,nelcampogravitazionaledeterminatodallasuastessamassa.Ebbene,senzaentrareneldettagliofisicomatematico,seilnostrocorposolidoè"isolato",valelaleggediconservazionedelmomentoangolare:

dove

èilmomentoangolaredelcorpo,Rilraggiodelcorposolidoekunopportunofattorenumerico.

Supponiamocheilcorporigidorappresentilanubeprotoplanetaria.Nelcasocheesistasololaforzadigravitazioneenonesistanoforzeesterne,cioèchelanubeprotoplanetariasia"isolata",valelaprecedenteleggediconservazionedelmomentoangolareche,risolta,dà:

Ilmomentoangolareoriginariodevemantenersicostanteanchesesipuòripartireneimomentidirotazionedeipianetiattornoalproprioasse,dirivoluzionedeipianetiattornoalSoleedinfinenelmomentodirotazionedelSoleattornoalproprioasse.

Quellochesiosserva"ora"nelSistemaSolareèche:

IlSolecontieneil99%dellamassadelSistemaSolaremapossiedesoloil2%delmomentoangolarepossedutodaglialtripianeti!

Questodatoosservativononèdipococonto.Ildilemmanascedalfattocheèalquantosingolarecome"ora",puressendolagrandissimapartedellamassaconfinatanelSole,l'intensitàdellarotazioneedellarivoluzione(inquestomodopossiamotradurreilconcettofisicodimomentoangolare)siainvecedistribuitaprevalentementeneicorpiapiùpiccolamassa,qualiipianeti.Inaltritermini,questovuoldirecheilSole,adesso,dovrebbeavere,permantenerelaconservazionedelmomentoangolareoriginario,unarotazionesusestesso,di0,5giorni,invecediquellaosservatadi26giorni!Siapronoduepossibilità:

1. seilSoleedipianetisisonoformaticontemporaneamentebisognaindividuareunmeccanismochesottraggamomentoangolarealSole;

2. oppurebisognasupporrechesindall'iniziolanascitael'evoluzionedeipianetisianostateseparatedaquelladelSole.



Introduzione

IlSistemasolare

LeleggidiKeplero

Lameccanicaceleste

Leorbitedeipianeti



Ladatazionedellerocceterrestri,lunariedeimeteoriti

L'etàdelSistemasolareeladuratadelprocessodiformazione

Laformazionedelprotosole

Lanubeprotoplanetaria

Lereazionitermonuclearinelprotosole;ilcicloprotone-protone

Lamisuradelrapportodeuterio/idrogenonei


DallametàdelXXsecololeteorieriguardantilaformazionestellareinsiemealladeterminazionedelleetàdeivaricorpiminori,adesempioimeteoriti,fornirononuovielementidiriflessioneperlenuoveepiùmoderneteoriecosmogoniche.Sebbeneilproblemadellaformazioneplanetariasiasoloparzialmenterisolto,sièriusciticomunqueacostruireunquadrosufficientementecoerentedeivariprocessifisiciechimicichesovrintendonoadessa.

L'efficaciadeimodellidiformazionedelSistemasolarerisiedeessenzialmentenellalorocapacitàdirispondereaduedomande:ammessocheilSoleedipianetisisianoformatiassieme,doveequandociòèavvenuto?ilSistemasolaresièformatodamaterialeinterstellarefreddoodamaterialesolareriprocessatodallereazionitermonucleariavvenutenelsuointerno?

Aquesteduepossibilitàleevidenzeosservativepermettonodidareunarispostaesaurienteconunelevatogradodiaccuratezza.Perfarquestoènecessarioaffrontareilproblemadell'etàdellerocceterrestri,lunariedeimeteoritiedindagaresucomeavvienelaformazionestellarenellaGalassia.

Ladatazionedellerocceterrestri,lunariedeimeteoriti

Ilprincipiobasedelladatazione,equindidellastimadelleetàgeologiche,sifondasullamisuradeglielementiradioattivipresentinelleroccesottoposteadesame.Alfinedimisurarel'etàdelSistemasolare,siutilizzanodegli"orologi"alungoterminederivatidaldecadimentodialcunespeciefisichetrovateneimeteoriti.

Adesempioconsideriamoilcasodiduemeteoriti(indicaticonlelettereaeb),incuil'abbondanzadegliisotopidelpiomboeralastessaalmomentodellaformazionedelSistemasolare.

Dopountempotlaformazionedellespecieisotopicheèspecificatadallarelazione:

checollegaleabbondanzeisotopichedel206Pbedello238U

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/bedogni/bed6.html#eta

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/bedogni/bed6.html#formazione

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/bedogni/bed6.html#nube

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/bedogni/bed6.html#reazioni

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/bedogni/bed6.html#misura

pianetigiganti

Ilproblemadelmomentoangolare

Conclusioni

altempotinfunzionedellacostantedidecadimento 238dell'238U.

Setuttiimeteoritihannolostessorapportoiniziale(206Pb/204Pb)allorahannolastessaetàe,sullabasediquestaipotesi,nonètroppocomplicatocalcolareilvaloreditequindirisalireall'etàdiformazionedelSistemasolare.Percompletezzadiamo,nellafigura2,leprincipalireazionididecadimentoradioattivoconitempicaratteristicicorrispondenti.

Figura2.

Ladatazionedirepertistoricidietànongeologicavienefattatramiteilmetododelcarbonio14cheèassociatoatempididecadimentoradioattivodialcunemigliaiadianni.

L'etàdelSistemasolareeladuratadelprocessodiformazione

Lemisurefatteconquestielementisucampionidimeteoritimostranochel'etàdelSistemasolareèapprossimativamente4,55miliardidianni.

Inoltre,lemisuredelleabbondanzedel244Pu(Plutonio)edello129I(Iodio),chehannodeitempididecadimentopiùcorti,dannoun'indicazionedeltempodicondensazionedelmaterialeplanetario.Esseindicanochenonsonostatinecessaripiùdi100milionidianniperlaformazionedeipianetidopocheilmaterialeoriginariosièisolatodaquellointerstellare.

Laformazionedelprotosole

Ladiscussionerelativaallaformazioneplanetarianonpuòprescinderedaquelladellaformazionestellare,edinparticolaresolare.(Fig.3)

Figura3.

Lestellesiformanodalmezzointerstellarecostituitodapolveriegas.Senellenubiinterstellari,perunqualchemeccanismofisico,sideterminaunaccumulolocaledigasopolveri,eccochesipuòprodurreun'instabilitàdalcuicollassogravitazionalesioriginaunastella.

Inrealtàidettaglidiquestoprocessosonoancorainpartesconosciutietuttoilmeccanismodiformazionestellareèbenlungidall'esserecompreso.Seppurinmodogrossolano,sipuòaffermarecheilcollassogravitazionaleavvienequando,nellanubeprotostellare,l'energiapotenzialegravitazionaleeccedeildoppiodell'energiacinetica.Èpossibilecalcolarequestovalorecriticodelladensitàdelleconcentrazionilocalidigasepolveritramiteilteoremadelviriale,cherendeirreversibilel'innescodellacontrazionegravitazionale.

Diversisonoimeccanismichepossonoinstaurarelafluttuazionedidensitàdacuiparteilcollassogravitazionale.Traquestinericordiamodue:

1-l'esplosionediunasupernova,lacuiondad'urtocomprimeilmezzointerstellaresinoarenderloinstabilegravitazionalmente;

2-ilpassaggiodiunanebulosaattraversounodeibracciaspiraledellaViaLattea.

L'analisideglielementiedeirapportiisotopicineimeteoritièutilizzabilecomemetodoperdeterminareladurataediltipodelprocessodiformazioneequindifornirciun'indicazionesuquale,diquestiduemeccanismi,èquellopiùprobabile.

Sièriscontratoche,neimeteoriti,uncertonumerodielementiqualil'ossigeno,ilmagnesio,edilneonhannoabbondanzeanomalechesuggerisconolapresenza,nella"nebulosamolecolareprimitiva",di"granipresolari"dovutiamaterialeespulsodasupernovae,novaeodastelleditipoWolf-Rayet.Inparticolarel'eccessodi26Mgsipuòspiegaresoloconlapresenzadi26Alneigranipresolaridirettamenteespulsinonsolodaunaesplosionestellaremaanchedaforteattivitàstellare,poichéildecadimentoradioattivoadessiassociato(26Alchesitrasformain26Mg)èmoltobreve:solo700.000anni!L'ipotesidellaformazionedelnostrosistemaplanetarioinseguitoalpassaggiodellanebulaprimordialeattraversolaViaLattea,trovaulterioreconfermanellemisuredelleabbondanzedel244Pu(Plutonio),edello129I(Iodio)

Ilmeccanismodell'esplosionediunasupernova,perquantoaccettabile,quindinonèstrettamentenecessario.ÈragionevoleipotizzarecheilSoleedipianetisisianoformaticontemporaneamente,duranteilpassaggioinunapartedellaGalassiasicuramentepiùdensaepienadipolveri.

Lanubeprotoplanetaria

Lanubeprotoplanetariaeracostituitadagasdiidrogenoedelioedagranidipolverecontenenticarboniosolido,silicati,metalliematerialevolatilecomeacqua,anidridecarbonica,metanoedammoniaca.L'instabilitàgravitazionalepuòavereavutoluogoapartiredaquestipiccoliframmenti,dicircauncentesimodimassasolare,formatisiinseguitoall'attivitàdistelledipochemassesolari!

Unavoltainnescatoilmeccanismodiformazione,all'internodellanubemolecolaresiformaunanebulaincontrazioneelarotazionedellanubeproduceilconfinamentodelmaterialegassosoformandoundisconebulare,mentreall'internodiquestodisco,siproduceulterioreaccumulodimateriale.(Fig.4)

Figura4.

Lereazionitermonuclearinelprotosole;ilcicloprotone-protone

Quandolatemperatura,nellanebulosacentrale,arrivaadiversimilionidigradisiinnescanonelsuointernolereazionitermonucleariesiformailprotosole.

Nellafigura5descriviamoilprincipalemeccanismodiproduzionedell'energialegatoallereazionitermonucleari:quellodellacatenaprotone-protone.

Figura5.

Lafusionenucleareèilprocessoattraversoilqualesiproducononucleidielementipiùpesantiapartiredallafusionedinucleidielementipiùleggeri.Neiprocessidifusionenuclearelamassadelnuovonucleoformatononèpariallasommadiquelladeinucleiatomicichehannopartecipatoallafusione,maleggermenteinferiore.Èpertaledifettodimassache,inbaseallaleggediEinsteinE=mc2,sisviluppaenergiaEaprocessoavvenuto.Nellaformulamèildifettodimassaecèlavelocitàdellalucenelvuotoparia

300.000km/s.

Nell'internodelSoleavviene,ancheoggi,lafusionediquattronucleidiidrogeno(protoni)inunnucleodielio,secondoloschemadellafigura5.Ilnucleodieliohaundifettodimassamdi0,007rispettoallasommadellemassedeiquattronucleidiidrogeno.Suquestabaseèfacilecalcolare,dallaleggediEinstein,che,sesoloundecimodellamassadiidrogenocontenutanelSolepartecipaallereazionitermonucleariperformareelio,sisviluppaun'energiadi9,2·1043joule,laquale,consumataaltassodi3,86·1026J/s(cherappresentalaluminositàsolare),risultasufficientepercirca7,5miliardidianni,benoltrel'etàdellaTerra.

Lamisuradelrapportodeuterio/idrogenoneipianetigiganti

Unodeipiùinteressantiproblemiconnessiconl'innescodellereazionitermonuclearidelcicloprotone-protonenelprotosoleriguardalacombustionedeldeuterio.Quest'ultimoèpresentenelmezzointerstellare,mavienedistruttonellestelleinseguitoallereazionitermonucleari.Iltempoincuiavvienelareazionechetrasformaildeuterioèmoltopiùbreve(circa1minuto)dellealtrereazioni(contempidi1milionedianni).

Cisichiede,allora,chefinehafattoildeuteriopresentenellanebulaprotosolare,ancheseèpossibileosservareancoraoggideuterioresiduodiquellooriginario.Neipianetigiganti,ilvaloredelrapportoD/Hèmaggiorediquelloprevalentenelmezzointerstellarepercuièlecitosupporrechel'abbondanzaditalerapportopossaesserecollegataaquelladelmezzointerplanetarioall'originedelSistemasolare,cioè4,55miliardidiannifa.

Seilmaterialeplanetariofosseuntributodelmaterialesolare,l'abbondanzadideuteriosarebbeugualeazero,comenelSole.Dalmomento,però,cheildeuteriovennedistruttodentroilSoleappenainiziaronolereazioninucleari,ciòpuòindicarecheipianetinonsisonoformatidamaterialetrasformatosinell'internodelSoleinseguitoallereazionitermonuclearieche,quindi,lafasediformazioneplanetariaèsuccessivaallaformazionedelprotosole.

Neconseguecheleteoriemarealivannoscartatepoichéammettonocheilmaterialedacuisisonoformatiipianetièdioriginesolare.Potràesserequindiattendibilesolounaversionemiglioratadellateorianebulareinaccordoconquestidatiosservativi.

Figura6.

Riassumiamonellafigura6,leprincipalitappedelprocessodicondensazione,erimandiamoall'articolocitatonell'introduzioneperun'analisidettagliatadeidiversipuntiquielencati.

Ilproblemadelmomentoangolare

Rimanedarisolvereilproblemadelmomentoangolare,laverapietradiparagoneperlacostruzionediunbuonmodellodiformazioneplanetaria.Questoproblemaèancorainparteaperto,anchesesonostatifattideipassiavantie,atalescopo,sonostatedeterminantisialeteoriedievoluzionestellaresullefasiinizialidivitadellestelle,chelateoriadinamicadelcampomagnetico.

Unastellarotante,dotatadiventostellareediunfortecampomagneticoiniziale,tendeadiminuirelasuarotazioneperuneffettodi"frenamento"dovutoalflussodelleparticelledelventolungolelineediforzadelcampomagnetico.QuestopuòdeterminareuntrasportodelleparticelleadunadistanzaamaggioredelraggioRdellastella.

Ancheunapiccolaperditadimassapuòprodurreunagrandeperditadimomentoangolareinquantoproporzionalead(a/R)2.Inquestomodo,selaperditadimassaèsolo0,003massesolariperanno,questomeccanismoèsufficienteperrallentarelaforterotazioneinizialedelSole.Quest'ipotesièconfermatadalfattochenellestellegiovani,deltipoT-Tauri,simisuraunaforteperditadimassaassociataadun'intensaattivitàmagneticaequindiunfortedecrementodelperiododirotazione.IlSolealtrononèsenonunesempiodell'evoluzionediquestitipidistellegiovani!



Introduzione

IlSistemasolare

LeleggidiKeplero

Lameccanicaceleste

Leorbitedeipianeti



Conclusioni

Conclusioni:lostatocorrentedellanostraconoscenzadellaformazionedelSistemasolare

Sebbenenessunoscenariosiaoggiuniversalmenteaccettato,cisononumerosipuntidiconsensoedaccordoriguardantilaformazionedelSistemasolare.

ImodellipiùcredibilisonoquellichederivanodaquellonebularediKanteLaplace.ImetodididatazionebasatisuldecadimentodeglielementiradioattiviritrovatineimeteoritifissanoilmomentodellanascitadelSistemasolarea4,55miliardidiannifa.

LaformazionedelSistemasolarehaavutoluogoquandolanubemolecolareprimordialehaattraversatounodeibracciaspiraledelleGalassia.L'ultimoarricchimentodellanube,attraversolaGalassia,potrebbeessereavvenutoutilizzandoilmaterialesintetizzatopernucleosintesinellestelleerestituitoalmezzointerstellare.Ilmetododello129Isuggeriscechel'ultimopassaggioèavvenutoalmeno100milionidianniprimadellaformazione,equestodeterminaladuratadelprocessodiformazioneplanetaria.

Imetodididatazionecon16O,26Ale20NsuggerisconochelanubeprotoplanetariasiastataarricchitadamaterialeprovenientedaventostellaredastelledeltipoWolf-Rayet,quindinonènecessarioipotizzarel'esplosionediunasupernovaavvenutanellevicinanze.

L'attualelentarotazionedelSoleeriduzionedelsuomomentoangolarepuòesserespiegatatramitefenomenimagneto-idrodinamicichesiosservanopureinstelleditipospettrale(F,GeK)analogheallanostrastella.

Ècomunementeaccettatoilmodellodiformazioneplanetariaapiccolamassadi0.01massesolari.Inquestomodellolanubecollassasudiundisco,leparticellecadononelpianoequatorialeinpochecentinaiadianniedaccresconopercollisioneadunritmodi1cmall'anno.Iprocessicheportanoall'accumulodimaterialesinoallaformazionedeiplanetesimisonobennotiericostruitidettagliatamente.

DuranteleprimefasidivitailSoleavevaunventosolaremoltointensochehaespulsoleparticelle,didimensionisuperiorialcentimetro,chenonsisonoconglomerateneiplanetesimi.Questospiegaladiversacomposizionedelpianetiinternirispettoaquelladeipianetiesterni.



Home

Introduzione

IlSistemasolare

LeleggidiKeplero

Lameccanicaceleste

Leorbitedeipianeti

L’importanzadelleorbitenelladeterminazionediunmodellodiformazioneplanetaria


Conclusioni

Letture

Letture

Letture

B.Bertotti,"L'esplorazionedelsistemadiSaturno",inLeScienze,n.334,1996

N.Booth,SistemaSolare.Unviaggiodipianetainpianeta,DeAgostini,Novara,1996

A.Braccesi,G.Caprara,M.Hack,AllascopertadelSistemaSolare,Mondadori,Milano,1993

G.Briggs,F.Taylor,AtlanteCambridgedeipianeti,Zanichelli,Bologna,1997

T.Encrenaz,J.-P.Birbing,M.Blanc,TheSolarSystem,SpringerVerlag,Berlin,1995

*D.L.Goodstein,J.R.Goodstein,IlmotodeipianetiintornoalSole:unalezioneineditadiR.Feynmann,Zanichelli,Bologna,1997

P.Kennet,GuidetotheSun,CambridgeUniversityPress,Cambridge,1992

K.R.Lang,C.A.Whitney,Vagabondinellospazio:ricercheescopertenelSistemaSolare,Zanichelli,Bologna,1987

D.H.Menzel,J.M.Pasachoff,Stelleepianeti,Zanichelli,Bologna,1990

E.Nesme-Ribes,S.L.Baliunas,D.Sokoloff,"Ladinamostellare",inLeScienze,n.338,1996

M.Rigutti,Comete,meteoritiestellecadenti,Giunti,Firenze,1997

R.Smoluchowski,IlSistemaSolare,Zanichelli,Bologna,1989.



IpianetielavitaPierluigiBattistini

Introduzione

L'iniziodellavitasullaTerra

AcquasuVenere?

Allaricercadellavitamarziana

IlSistemasolareesterno

Conclusioni

Introduzione

Confinatainunapiccolafrazionedeldiametroterrestre,labiosferadelnostropianetaèdimoradiunnumerostraordinariamentevariodiorganismi.Duranteunlunghissimociclodiestinzioniediversificazioni,miliardidispeciesonoevolutedall'appariredellavitasullaTerra,maaldilàdellepurimportanticonoscenzefornitedallostudiodelletraccefossili,lamaggiorpartedeiproblemilegatiall'insorgereedallastoriadellavitarimaneirrisolto.

Qualisonolecondizioniincuilavitapoténascereesvilupparsi?Lavitahaavutoorigineperinseminazionedall'esternoosièsviluppatadaprocessiavvenutisullaTerra?Comepossonosemplicicompostiorganiciorganizzarsineicomplessisistemimetabolicidegliorganismiviventi?Possiamorealisticamenteaspettarcichecondizioniadatteall'origineedall'evoluzionedellavitaesistanofuoridellaTerra,nelnostrooinaltrisistemisolaricheandiamoscoprendoattornoallestelle?

SecondoChristiandeDuve,premioNobelperlamedicinanel1974,lavitaèun"imperativocosmico",inevitabilerisultatodell'evoluzionedell'universo.ConcludevainfattiunsuoarticolopubblicatosuAmericanScientistdell'ottobre1995conleseguentiparole:

Hocercatodipassareinrassegnaalcunideifattiedelleideeche,almomentoattuale,siconsiderapossanospiegareleprimefasidellanascitaspontaneadellavitasullaTerra.Nonsisaquantodiquesteipotesiresisteràallaprovadeltempo,masipuòsicuramenteaffermare,aprescinderedallarealenaturadeiprocessichehannogeneratolavita,chequestidevonoesserestatialtamentedeterministici.Inaltritermini,questiprocessifuronoinevitabiliallecondizionicheesistevanosullaTerraprimadellavita.Perdipiù,questiprocessisonodestinatiadavvenireallostessomododoveequandocondizioniugualisiverificano.Deveesserecosì,perchéiprocessisonochimiciesonopertantogovernatidalleleggideterministichechegovernanolereazionichimicheelerendonoriproducibili.[...]

Tuttoquestoportaaconcluderechelavitaèunamanifestazioneobbligatoriadellamateria,destinataanascereladdovelecondizionisonoadatte.Sfortunatamente,latecnologiadisponibilenoncipermettediscoprirequantisitioffranotalicondizioninellanostragalassiaetantomenonell'universo.Secondolamaggiorpartedegliespertichehannoconsideratoilproblema,specialmenteinrelazionealprogettoperlaricercadiintelligenzeextraterrestri,cidovrebberoesseremoltissimisitiditalgenere,forsequalcosacomeunmilionepergalassia.Sehannoragione,eseiosononelgiusto,devonoessercialtrettanti"focolai"divitanell'universo.Lavitaèunimperativocosmicoel'universoètraboccantedivita.

Aquestiproblemicercadidarerispostaunascienzarecentechesiavvaledelcontributointerdisciplinarediricercatoridi

moltisettoridellascienzatradizionale:l'astrobiologia.



Introduzione


AcquasuVenere?



Conclusioni


DuranteilprimoperiododellasuastorialaTerra,cometuttiglialtripianetidelSistemasolare,èstatasottopostaadunintensobombardamentodimaterialechepereffettodellagravitàèandatoaformareiprotopianeti.Fudurantequestoperiodo,circa4,5miliardidiannifa,chesiformòlaLuna,probabilmenteacausadiunacollisionefralaTerraprimitivaeduncorpodelledimensionidelpianetaMarte.SullaLuna,suMercurio,suMarteesumolticorpiminoridelSistemasolareèrimastaunatraccia,nellelorosuperficifortementecraterizzate,diquestoperiodocheèterminatocirca3,8miliardidiannifa.Lesuperficidiquesticorpisisonopocoalteratedaallora,acausadellamancanzadiatmosferaedellascarsaattivitàendogena.VenereelaTerra,alcontrario,sonostatecompletamentetrasformatedaeventigeologici:ilvulcanismoperVenereelatettonicaazolleel'erosionedapartedell'acquaedeglieventiatmosfericiperlaTerra.

Sulnostropianetaquestieventihannoavutoeffetticontrastanti,positivienegativi,sull'origineelosviluppodellavita.Durantel'intensobombardamento,lamaggiorpartedell'acquaemoltielementivolatili,necessariperlosviluppodellavita(carbonio,azoto,fosforo,ecc.)sonostativaporizzatiequindiperdutidalpianetainaccrescimento.Glielementinecessariallosviluppodellavitasisonoprobabilmenteaggiuntidopopereffettodell'impattodicometedipiccolataglia,quandoilpianetasieraormairaffreddatoasufficienzapertrattenerli.Èpossibile,anche,cheinquestoperiodogliultimiimpatticoncorpighiacciatiabbianoportatoprecursorisemplicidicompostiorganicinecessariperl'originedellavita.Sonostatefattestimechefannoarrivarelaquantitàdiquestimaterialia10.000tonnellatedicompostiorganiciperanno.AncoraoggilaTerraneraccogliedallospaziopiùdi300tonnellateperanno.

Eranecessariopoiunrifornimentostabilediacquaallostatoliquidoadunatemperaturainferiorea100°Cperchésipotesseroformaremolecoleorganichecomplesse.Lecondizioniadattesisonoprobabilmenteverificatefra4,2e4,4miliardidiannifa,nell'epocaincuiilbombardamentoeraindeclino.Certamenteformeavanzatedivitaeranogiàpresenti3,5miliardidiannifa,epocacuirisalgonolepiùantichetestimonianzefossili.InoltresonostatitrovatidepositidicarbonioparticolarmentericchidiC12rispettoall'isotopopiùabbondanteC13,segnodiassimilazionedicarbonioorganico,eciòtestimonial'iniziodellavitainunperiodoancorapiùantico.D'altrapartepereffettodelvulcanismoedelbombardamentoilnostropianetaèrimastoinospitaleperlavitapercircamezzomiliardod'annidallasuanascita(avvenutacirca4,5miliardidiannifa)eciòlasciaunperiododi200-300milionidianniperlosviluppodelleprimeformedivita.

Questaduratasembradecisamentetroppobreveperlacreazionediunorganismocomplessocomelacellulavivente.Daquiilsuggerimentochegermidivitapossano

esseregiuntisullaTerradallospazioesternoassiemeallapolverecometariao,comehapropostoFrancisCrick(anzianoprofessoredelSalkInstituteforBiologicalStudies,premioNobelperlamedicinanel1962escopritoredelladoppiaelicadelDNA)medianteunanavespazialeinviatadaqualchelontanaciviltàextraterrestre.Nonesistonoproveditaliaffermazioniedancheleragionichehannosostenutolepropostesonoormaiobsolete.Attualmentec'èunaccordogeneralefragliscienziatichelavitasiasortainlocoattraversoprocessinaturalispontaneieaquestodobbiamoattenerci,sevogliamorimanereinambitoscientifico.

Uncontrolloimportantedafare,sesivuoleindagaresullapossibilitàdiinsorgenzadellavitanelSistemasolareinterno,èquellodellaquantitàdienergiairradiatadalSoleprimordiale.Cisonobuoneragionipercredereche,duranteilperiodoinizialedivitadeipianeti,ilSolefossedal25al30percentomenoluminosodioggi.SullaTerraprimitiva,acausadellapresenzadiun'atmosferariccadiossididicarbonio,glieffettisullasuperficiedellaTerrafuronofortementeinfluenzatidall'effettoserra,cheintrappolavalaradiazionesolareeportavalatemperaturasuperficialeavaloriadattiallastabilitàdell'acquaallostatoliquido.Inquellecondizioniprobabilmentelazonaospitaleperlavitasiestendevaall'internodelSistemasolarefinoacomprendereVenere.



Introduzione


AcquasuVenere?



Conclusioni

AcquasuVenere?

LeinformazionisulpianetaVenereleabbiamosoprattuttodallemoltesondeVenerainviatedaisovieticifrail1967eil1983edallemissionistatunitensiPioneerVenus,lanciatanel1980eattivafinoal1992,eMagellan,chetrail1990eil1994cihafornitounamappadettagliatadellasuperficiedelpianeta.

AttualmentelasuperficiediVenereèoscuratadadensenubidiacidosolforicosospeseinunaatmosferacompostaquasitotalmentedaanidridecarbonica.LeimmaginiradardiMagellanocifannovedereunasuperficiequasicompletamenteriplasmatadallemassicceeruzionideivulcanipiùgrandiedinsolitidituttoilSistemasolare.Sebbenelasuperficievenusianasiaoggiestremamentecaldaesecca,cisonosegniindiretticheindicanochel'acquafuuntempopresentenell'atmosferasottoformadivaporeesufficientementeabbondantedapoterformareoceani.LostrumentofondamentaleusatoperinvestigarelastoriapassatadelclimadiVenereècostituitodallostudiodelleabbondanzeisotopichedeglielementi.Moltiprocessinaturaliprivilegianol'unool'altroisotoponellereazionichimiche,equestoprovocavariazioninelleabbondanzeisotopichedeglielementiecipermettequindidiinferirelecondizionipassate.

Figura1.Venereèricopertadadensenubidiacidosolforicospessemoltichilometri.Sonobeneinevidenzainquestaimmagine,ripresanell'infrarossodallasondaGalileoil10febbraio1990daunadistanzadi96.600km.

DurantelamissionePioneerVenus,lanavicellainorbitaattornoalpianetahafattomisuredideuterio,unisotopodell'idrogeno,nell'altaatmosferadiVenere.Lemisuredelrapportofralaquantitàdiquestoisotopoelaquantitàdi

idrogenonormalehannorivelatoche,rispettoaquellochesimisuranell'atmosferaterrestre,ildeuterioè150voltepiùabbondante.Ciòdimostracheunagrandequantitàdiidrogenoèandataperdutanellospazio.Ilfenomenosispiegaipotizzando,cheall'aumentaregradualedellaluminositàdelSoleprimordiale,equindidell'energiaemessa,l'idrogenoprodottodalladissociazionedellemolecoled'acquasisiadissipatonellospazio.L'anidridecarbonica,immessanell'atmosferadalleeruzionivulcaniche,hapoiintrappolatolaradiazionesolarepereffettoserraedhafattosalirelatemperaturasuperficialedelpianetaaglialtissimivaloriattuali(~450°C).

Figura2.Questestrutture,dettearacnoidi,sonocaratteristichedellasuperficiediVenere.Sonostrutturediformagrossolanamenteellitticaadanelliconcentricisolcatedaunacomplessaretedifratturechesiestendonoversol'esterno.Sisonoformateacausadelraffreddamentodelmagmaaffioratoinsuperficie.Hannodimensionichevannoda50a230km.

ÈquindipensabilecheneiprimiperiodidivitadiVenerel'acquafosseabbondantesullasuasuperficieechelavitapossaavereavutoinizioanchesuquestopianeta.Seciòèavvenuto,lavitasiècomunquesuccessivamenteestintaacausadellesopravvenutecondizioniambientaliproibitivedicuiabbiamoparlatosopra.Probabilmenteletracceditalieventilasciatesulleroccesonopoiandateperduteacausadellamassicciaevoluzionedellacrostadovutaall'intensovulcanismoeaifenomenitettonici.

Venereperònonèl'unicopianetaaldifuoridellaTerraincuilavitahapotutoavereuninizio.AncheMartehavissutolaprimafasedellasuaevoluzioneall'internodellazonaabitabileepotrebbeospitaretuttoraacquaallostatoliquidoaldisottodelsuologhiacciato.



Introduzione


AcquasuVenere?



Conclusioni


Nel1976lemissioniVikingposaronoduesondesulsuolomarzianoallaricercadiorganismiviventi.Gliesperimentibiologiciabordohannoaffrontatoilproblemadaaspettidiversi.Quelloprincipaleeradirettosemplicementeallaricercadimolecoleorganichesullasuperficiedelpianetarosso.Ilrisultatoèstatodeltuttonegativo:nonèstatorivelatounsolocompostodelcarbonio,sebbenelostrumentofosseingradodirivelaremolecoleorganicheconunaconcentrazionediunosuunmiliardo.Glialtriesperimentihannocercatotraccediattivitàmetabolicaaggiungendoacquaenutrientiacampionidisuolo.Sebbenesianostatiottenutialcunirisultatiinteressanti,sonotuttistatispiegaticonprocessiinorganici.

Questonondevesorprendere,seteniamocontochelapressioneatmosfericasuMarteèmenodell'unopercentodiquellaterrestre,moltolontanadaquellanecessariaperl'esistenzadiacquaallostatoliquidoinquantitàragionevoli.Oltreaciò,l'atmosferanoncontieneossigenoequindièassentelostratodiozonocheproteggelasuperficiedalleradiazioniultraviolette,estremamentedannoseperogniformavivente.Questaradiazione,chegiungefinsullasuperficie,èstatasenzadubbiounfattoreimportantenelprodurreilcaratteristicocolorerossodelpianetaenellaproduzionediperossidi,chesonomoltoefficientineldistruggereicompostiorganici.

L'accordofragliscienziatinell'affermarechelasuperficiediMartesiasterileèormaipraticamentegenerale,peròsipensachepossanoesisterezone,conpresenzadiacquaallostatoliquido,aldisottodellasuperficie,dovelatemperaturaelapressionesianosufficientementealte.Unasfidaimportanteperlefuturemissionidiesplorazionesaràquelladiaccedereastratiabbastanzaprofondiperpoteresaminareilproblema.Dovremoprobabilmenteaspettarequalchedecennio,perchéun'impresadiquestotipononpotràessereeffettuatainmodocompletosenonconlapresenzadell'uomo.

LeimmaginideiVikingOrbitersedeiloropredecessoriMarinerrivelaronochel'anticaecraterizzatasuperficiemarzianaerariccadicanaliprodottidaacquascorrentesullasuperficiemoltotempofa.Così,mentreiveicoliatterrati,ilander,escludevanolapresenzadivitaattuale,quellirimastiinorbita,gliorbiter,aprivanolapossibilitàdiipotizzarelapresenzadivitasulpianetainepocheremote.

Fig.3-IlsistemadicanalidellapartesuperiorediquestaimmaginecostituiscelaMajaVallischesiestendeperunalunghezzadicirca180km,sulpianetaMarte.Probabilmenteèstatoprodottodall'acquadiscesadalJuventaeChasma,chesitrovaalcunecentinaiadikmpiùasud.NellaparteinferioredellafotosivedelaVedraVallis.L'arearappresentatahaunlarghezzadi150km.

Dalpuntodivistadellapossibilitàdipresenzadivita,lastoriadelclimadiMarteèquasiesattamentel'oppostodiquelladelclimadiVenere:Marteerauntemporelativamentecaldorispettoalclimaestremamenterigidodioggi.QuestaaffermazionesembraincontraddizionecolfattocheilSolehaaumentatolasualuminositàcoltempoechequindilaquantitàdiradiazionechearrivasulpianetaèaumentata;madobbiamotenereinconsiderazioneunaltrofattoreimportantecheentranellaquestione:l'evoluzionedellasuaatmosfera.SuMartel'anticaatmosferariccadianidridecarbonicaedialtri"gasserra"haportatolatemperaturasuperficialedelpianetaavaloriabbastanzaelevatiperpermetterelapresenzadiacquaallostatoliquidosullasuperficie.Leinterazionidell'atmosferaconlerocceeleperditenellospazioacausadellabassavelocitàdifugahannopoiprovocatoildeclinodellapressione.SullaTerrataliperditesonostatecontrobilanciatedalriciclaggiodellacrosta,dovutoalleinterazionicolmantello,edalconseguenterilasciodigrandiquantitàdigasnell'atmosferaduranteleeruzionivulcaniche.SuMartetalericiclaggioèavvenutoinquantitàmoltoinferiore,mancandounaintensaattivitàvulcanica.

Fig.4-Ilmaterialeespulsodall'impattochehaformatoilcratereYutyhageneratoquesticaratteristicilobiperilfattochel'energiadell'impattohariscaldatoequindifusoilghiacciochesitrovavasottolasuperficie,provocandol'emissionedimaterialefluido.Strutturediquestotiposonomoltocomuniincraterichesitrovanoall'equatoreeallemedielatitudinidiMarte.IlcratereYutyhaundiametrodi18km.

Circa3miliardidiannifaMarteeragiàprobabilmenteunpianetaestremamentefreddoel'acquaallostatoliquidoresiduasieragiàritiratasottolasuperficieportandoeventualmenteconsél'emergentebiosfera.Èpossibilepensarechelavita,originatasisuMartenelperiododiclimaclemente,conacquaallostatoliquidosullasuperficie,sisiaritiratainoasiprofondedovecontinuaadessereancorapresenteoggi?Oppureinalternativa:èpossibileipotizzarel'insorgeredellavitainquesteoasi?Inentrambiicasi,possiamopensarechesianopresentitraccefossilinelleroccedellacrosta?

Ilritrovamento,inAntartidenel1984,dellameteoritemarzianaALH84001,potrebbefornireinformazionipertentaredirispondereaquestedomande.Nell'agostodel1996ungruppodiricercatoridellaNasapubblicavasullarivistaSciencelanotiziadellascopertadipossibilitraccedivitamarziananellameteorite.ChaessasiaoriginatadaMartesiècapitoaldilàdiogniragionevoledubbio,confrontandolacomposizioneisotopicadell'ossigenoedeigasatmosfericiintrappolaticonidatiottenutidailanderdellamissioneViking.NonèpossibilesaperedaqualepartediMarteprovenga,comunqueèvecchiadi4,5miliardidianniedèquindiuncampionedell'anticacrosta.Questameteoritecontieneidrocarburicomplessiintrappolatineicarbonatichesisonoformaticirca3,9miliardidiannifaquando,versolafinediunperiododiintensobombardamento,suMarteeranopresenticondizionichehannopermessol'infiltrazionedifluidiacquiferiattraversofratturenelleroccedellacrosta.Questieventisonocontemporaneiall'apparizionedellavitasullaTerra.Intempipiùrecenti,circa17milionidiannifa,larocciafulanciatanellospazioacausadellacollisioneconungrossometeoriteedèrimastainorbitasolarefinoache,13.000annifa,ècadutainAntartide.

AlbordodeiglobulidicarbonaticontenutiinALH84001sonostatetrovatestrutturesimiliaquelledibatterifossiliterrestri,anchesemoltopiùpiccole.Alcunediquestestrutturesisonopoirivelateartefattidovutiallapreparazionedeicampioniperlamicroscopiaelettronicaedaltrepossonoessersiformateperinterazioneconl'atmosferaterrestredurantelapermanenzasullaTerra,manerimangonoalcunechenonsonodovuteaquestifattorienonsonofacilmenteinterpretabilimedianteprocessinonbiologici.Restano,tuttavia,moltidubbiese,perora,lapresenzaditraccedivitafossileinALH84001nonpuò

ancoraesseredimostrata,glistudicontinuanoenonèdettocheilfuturononciriserviinteressantisorprese.

AdifferenzadiVenereedellaTerra,suMartesisonoconservateampieregionidellacrostaprimordialecheprobabilmentecontengonoancoratraccedellastoriaprimitivadelpianetarosso.L'eventualeraccoltadiinformazionisullachimicaprebiotica,crucialipercomprendereilsorgeredellavitasullaTerra,puòesserealtrettantoimportantedellascopertastessadiformedivitamarziana.Èperquestochemoltiscienziatiinsistonoperché,nonostanteirecentigraviinsuccessi,lemissionidiesplorazionediMartecontinuino.

Inannirecentisulfondodeglioceaniterrestrisonostatetrovatesorgenticaldeassairicchedivita.Questesorgentiidrotermalisiformanoquandodueplaccheoceanichesiallontananoelalavachefuoriescesostituisceilfondooceanico.Inquesteareesgorganosorgentifluideestremamentecaldeericchediminerali.Alcontattoconl'acquafreddadell'oceanosiraffreddanorapidamente,depositanoimineralieformanounasortadicaminichesiinnalzanodalfondo.TaliambientisonoconsideratiipiùimportantiperlosviluppodelleprimeformedivitasullaTerraeprobabilmenteanchequelliincuilavitahaavutoinizio.Questihabitatospitanodiversecomunitàdiorganismichenonhannobisognodellalucesolarepersupportarelafotosintesi,maprosperanosintetizzandocompostiorganicidaimaterialiinorganicifornitidallesorgenti.Cichiediamo:possonosemplicicomunitàdiquestotipoessersisviluppate,inassociazioneconsorgentiidrotermali,inaltrepartidelSistemasolare?

SuMartehabitatmoltosimilipotrebberoessersiprodottiemantenutidasorgentiinternedicalore,generatedall'energiadegliimpattiedaldecadimentodisorgentiradioattive.SistemidicircolazionediacquacaldaeranoinoltreprobabilmentediffusedurantelastoriaprimitivadiMarte,particolarmentesuifianchideivulcaniedeigrandicrateridaimpattoesulfondodellegrandifossetettoniche.Peresplorarelapossibilitàditrovaretraccediquestaanticavitamarzianadobbiamoinnanzituttolocalizzareidepositiche,conmaggioreprobabilità,hannoconservatomemoriefossili.Ilprimopassoèquellodirealizzaremappedettagliatedellamineralogiaedellacomposizionechimicadellasuperficie.Inquestiannilesondeorbitantiattornoalpianeta,inparticolareMarsGlobalSurveyor,chehaterminatolasuamissioneprimariaallafinedel2000,eMarsOdysseyilcuilancioèavvenutoil7aprile2001,dovrannofornireimmaginiadaltarisoluzionedelpianetachecipermettanodiguidareifuturiveicolidestinatiadatterrareversoroccenellequalisiapiùprobabiletrovaretraccedivitapassata.Sidovrebbepoterlocalizzaredepositisedimentaricontenentiacquasuglialtipianifortementecraterizzati,chesisonoformatinellefasipiùantichedellastoriadelpianeta,quandol'acquaerapresenteinabbondanza.Inoltre,perpoterperforarelacrostaallaricercaditalistraticonpresenzadiacquaallostatoliquido-equindi,possibilmente,divita-occorronorilevamentitopograficiadaltarisoluzioneperlocalizzareconcentrazionidivaporeacqueoodigasidrotermalinell'atmosfera,dovel'acquadelsottosuoloèpiùvicinaallasuperficie.

Riportareaterracampioniditalizoneforniràmaterialeperulterioriricerchedicompostichimiciprebioticiofossili.Adognimodo,inquestotipodiricercheèdifondamentaleimportanzaevitarelacontaminazionedell'ambiente:occorreindividuaremetodichesicurechecigarantiscanosiadallacontaminazionedeicampionidapartediorganismiterrestri,siadall'introduzionediorganismialieninellabiosferaterrestre.Studiinquestosensosonoincorsoecoinvolgonol'interacomunitàscientificainternazionale:perpotertrasferireinsicurezzacampionidaMartesullaTerraillavorodacompiereèancoramolto.



Introduzione


AcquasuVenere?



Conclusioni


SecispostiamodalSistemasolareinternoaquelloesternolasituazione,dalpuntodivistadellapossibilepresenzadivita,èmoltodiversa:ilcalorenecessarioperlapresenzadiacquaallostatoliquidonondipendepiùprincipalmentedall'energiaricevutadalSole,madaquellaprodottaall'internopereffettodellaforzagravitazionaleedeldecadimentoradioattivo.All'internodialcunisatellitideipianetigiganti(icosiddettisatellitidighiaccio),doveleforzedimareaindottedalpianetastiranoedistorconolacrostacausandol'innalzamentodellatemperaturaoltreilpuntodifusione,puòesserepresenteacquaallostatoliquido.

ProbabilmentelamanifestazionepiùspettacolareditalifenomenimarealièilsatellitediGioveIo,cheèdigranlungal'oggettocolmaggiornumerodivulcaniattividituttoilSistemasolare,almenoallostatoattuale.Dalsuointernosgorgacontinuamentezolfoallostatoliquidoacausadelleimponentideformazioniprovocatedallemareedovuteall'attrazionegravitazionalediGiove.Difficilmentel'ambientediIopuòesserepensatocomeospitaleperlavita,manonècosìperglialtritresatellitimaggiori:Europa,GanimedeeCallisto.

Figura5-Questaimmaginemostraun'area,solcatadafrattureecreste,dicirca200kmdilatosulsatellitediGioveEuropa.Questestrutturefannopensarechealcunezonedellasuperficiedelsatellitesianorecentiesisianoformatemedianteprocessisimiliaquellichehannoformatoilfondodeimariterrestri.

LasuperficiediEuropaèpocoaccidentataepraticamenteprivadicrateridaimpatto,ilchefapensarechesiacompletamenterinnovatadaprocessiendogeni.LespettacolariimmaginiripresedallasondaGalileorivelanocomplessefratturecrostalicontornatedamaterialepiùscuro:fratturedietàdiversachesiincrocianol'unaconl'altraevasteregionisuddiviseinblocchi,alcunideiqualisembranogalleggiarecomeicebergsuunadistesadi

ghiaccio.Sisonotrovatianchesegnidighiacciogiovane,fuoriuscitodalsottosuolo,chericoprelevecchiestrutturesuperficiali.Mentregliscienziatidiscutonosulcomesipossonoessereformatequestestrutture,unaipotesiinteressantesifastrada,cheilghiaccio,riccodimineraliedimaterialeorganico,sisiaformatoperl'affioramentodiacquanellefratturefraleplacche.Nonostanteimoltiproblemiirrisolti,questaipotesisuggeriscelapresenza,nelsottosuolo,diunoceanoriccodicompostiorganici,generatodalriscaldamentoprovocatodalleforzemareali.Dovec'èacquaedilgiustomiscugliodimolecoleorganiche,cipuòesserevita.Alcuniricercatorihannopoiventilatolapossibilitàchesulfondodell'oceanodiEuropapossanoesisteresorgentiidrotermalianalogheaquellechesitrovanosullaTerranelfondodellefosseoceaniche.SappiamochesullaTerratalisorgentibrulicanodivitaepossonosostenerecoloniediformecomplesse.ForseinfuturosipotràdimostrarecheciòèveroancheperEuropa!Ancheseciònonavvenisse,ècomunquepossibilecheilghiacciocontengaprovedichimicaprebioticaotraccefossilidiantichiviventi.

Figura6.TerrenimistiassiemeadungrandecrateredaimpattonellaregionediUrukSulcussuGanimende.AlcunestrutturesonosimiliaquelletrovatesuEuropa.L'immaginerappresentaun'areadi55×35km.

LamassadiGanimedeècostituitapercircalametàdiacqua.SimileadEuropa,èanch'essoricopertodaunacrostadighiacciofratturataedinmovimento.Catenemontuoseconcresteaguzzesolcanolasuperficiepercentinaiadichilometri,testimonidiunaanticaattivitàtettonica.Cisidomanda:ancheGanimedeospitaalsuointernozonediacquaallostatoliquidonellequalil'evoluzionechimicapuòaverprodottolavita?DomandesimilicelepossiamoporreancheperlamaggiorpartedeglialtrisatellitidighiacciodelSistemasolareesternocomeCallisto,Encelado,satellitediSaturno,eTritone,diUrano,chemostranotutticaratteristichesimili.ComeMarte,ancheipianetiesternielelorolunepossonoessereconsideraticomeunasortadiimportantelaboratorionaturalemedianteilqualecercaredicapirel’evoluzionechimicachehaportatoallacomparsaedallaprimaevoluzionedellavitasullaTerra.

Figura7.UndisegnodifantasiachemostralasondaHuygenschescendesullasuperficiediTitanocaratterizzatadaampiedistesedimetanoliquido.

Daquestopuntodivista,èinteressanteprendereinconsiderazioneTitano,ilmaggioredeisatellitidiSaturno.Lasuaatmosfera,circail50%piùdensadiquelladellaTerra,interagisceconleparticelledelventosolareintrappolatedalcampomagneticodiSaturno.Taleinterazioneinnescacatenedireazioninell'atmosferachespaccanolemolecoledell'azoto(N2)edelmetano(CH4),edallaricombinazionedeiprodottisiformanomolecoleorganichecomplesse.(SipensacheprocessidiquestotiposianoquellichehannodatoorigineallavitasullaTerra).Lereazionicheavvengononell'atmosferapossonocrearecatenemolecolarisufficientementepesantida"piovere"sullasuperficiediTitano.A-179°C,lasuperficieècertamentetroppofreddaperospitarelavita.Mac'èchihaspeculatoche,fraqualchemiliardodianni,quandoilSoleavràterminatodibruciareilsuoidrogenoesiespanderàfinoadinglobareipianetipiùinterni,lasuperficiediTitanodiventeràunaveraoasi,nellaqualepotràaveredinuovooriginelavita.IntantolasondaCassini,partitail15ottobre1997,haappenasuperatoilsistemadiGioveedèinviaggioversoSaturno,cheraggiungeràall'iniziodilugliodel2004.Nelnovembredellostessoannolanceràattraversol'atmosferadiTitanolasondaHuygens,checiforniràprezioseinformazionisulsatellite.



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Introduzione


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Conclusioni

Conclusioni

Laraccoltadiulterioriepiùapprofonditeconoscenzesuipianetieisatelliti,cheabbiamodescrittocomeprobabilicandidatiadospitareformedivita,continua,marichiederàtempimoltolunghi.Nelfrattempo,soprattuttoapartiredagliultimiduedecenni,laricerca,sullaTerra,dellapresenzadiesseriviventiinambientiestremicontinuaelaconnessioneconlaricercadivitasualtripianetièevidente.Sappiamo,adesempio,cheanchesullaTerrapossiamotrovareplaghechepossonosimulareabbastanzabeneilclimafreddoeseccodiMarte.CertevalliantarticheeilorolaghipermanentementecopertidighiacciopossonoricordaredavicinolasituazionepassatadiMarte.SolorecentementesonostatiscopertiabitantidellaTerrachevivononellacrostaamoltichilometridiprofondità;leloropossibilicontropartimarzianepotrebberoesserequantorestadiunabiologiauntempomoltopiùestesa.

Quandoguardiamoconmeravigliacomunitàdimisteriosibivalviedivermiesoticicheprosperanoattornoaicaminivulcanicinelleprofonditàdell'oceano,siamocolpitidalfattochesopravvivonosenzautilizzarel'energiachevienedalSole;ma,forse,nelprofondoeoscurooceanodiEuropaodialtrisatellitidighiaccio,talicomunitàpossonoesserelanorma.Saremopiùpreparatiariconoscerlieastudiarliselenostrementisisarannoaperteattraversolostudiodellabiologiaterrestre.Aquestopropositosaràcrucialecapiresequestiambientiestremisonoingradodimantenerelavitasufficientementealungoperpoteripotizzarechesualtripianetieventualiesseriviventipossanoessersisviluppatiintempilunghi.Finoatempipiuttostorecentiilpareredellacomunitàscientificaeranegativo.Ora,manmanochesitrovanofossilisemprepiùantichi,stiamoconvincendocichelavitasianataesisiasviluppatainunperiodostraordinariamentebreveeciòpuòsignificarecheabbiamofortementesovrastimatoilperiododitemponecessarioperchélavitasorgaesisviluppi.Inoltrevisonoindizichecifannopensarechelavitanelnostropianetapossaaveravutoorigineinunambientecaldo,riccodizolfoeprivodiossigeno:ambientecheoggipotremosolodefinire"estremo"!



Introduzione


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Conclusioni

Letture

Letture

Libri

Variarticolisonostatipubblicatinegliultimitempinelletreprincipalirivisteitalianedidivulgazioneastronomica:

l'Astronomia(edizioniMediaPresses.r.l.,viaNinoBixio30,20129Milano),

CoelumAstronomia(edizioniScientificheCoelum,viaAppia18,30170Venezia-Mestre,internet:http://www.coelum.com),

NuovoOrione(Sirios.r.l.,viaBronzino3,20133Milano,interenet:http://www.orione.it).

Inparticolarecitiamounbell'articolodirassegnadiCesareGuaita:"L'acquasuMarte:tuttalaverità",inNuovoOrione,n.102,2000,pp.32-45;

http://www.coelum.com/

http://www.orione.it/

http://exobiology.nasa.gov/Exobiology_Program/Mars_Exo_Strategy_Doc.html



LemolecoledellavitaAndreaBottoni

Introduzione

Carboidrati

Amminoacidieproteine

Acidinucleici

Glossario

Introduzione

Lamaggiorpartedellemolecolepresentinellecelluleanimalievegetali,apartel'acqua,ècostituitadasistemidigrossedimensioni(macromolecole),dovecentinaiaomigliaiadiatomisonoconnessidalegamichimici.Nonostantel'enormecomplessitàdeisistemibiologicieilnumeroelevatodielementichimicidisponibilisulpianeta,questemacromolecolesonocomposteprincipalmentedaidrogeno,carbonio,azotoeossigeno.Sebbenepresentiinminorequantità,anchefosforoezolfogiocanoruolifondamentalinellastrutturaenelmetabolismocellulare.Oltreaquestiseielementi,solopiccolequantitàdimetallioalogenientranonellacostruzionedellemolecolebiologiche,lequalipossonoessereclassificateinquattrocategorieprincipali:carboidrati,proteine,acidinucleicielipidi.

Icarboidratisonolemolecoleorganichepiùabbondantiinnatura.Essisonocostituiti,fondamentalmente,dastruttureidrocarburicheallequalisonolegatimoltigruppipolari(essenzialmentegruppiOH)cherendonoquestemolecolealtamentesolubiliinacqua.Icarboidratisonospessorappresentatidagrossipolimeri,noticomepolisaccaridi,lecuiunitàmonomerehannostrutturaciclica(anelliacinqueoseimembricomeglucosioefruttosio)legatefradiloroaformarelunghecatenelinearioramificate.Lefunzionisvoltedaicarboidratisonomolteplici:essirappresentanounariservadienergiachimica(glucosio,amido,glicogeno),sonopartiessenzialidellestrutturedisupportodellepiante(cellulosa),cosìcomedellepareticellularibatteriche,erappresentanocomponentifondamentalidegliacidinucleici(D-ribosioe2-deossi-D-ribosio).

Leproteinecostituisconounaltroimportantissimogruppodipolimeribiologiciconunagrandeversatilitàdifunzioni.Glienzimi,adesempio,sonounaclassedimolecoleproteicheestremamentespecializzate,conlafunzionedicatalizzareeregolarizzarelereazionicellulari.Altreproteinesonodeputateafunzioniditrasporto:l'emoglobinatrasportaossigenodaipolmoniallezonedell'organismochelorichiedono.Unruoloanalogoèsvoltodalleemocianinenelcaso,adesempio,degliartropodi.Visonopoiproteinechesvolgonolafunzionedisupportistrutturali:ilcollagene,adesempio,èlaproteinaprincipaledeltessutoconnettivoedelleossa.

Gliacidinucleicisonocertamentelemacromolecoledimaggioridimensionipresentinellacellula.Questemolecole,chehannolafunzionedireplicareetrascriverel'informazionegenetica,sonocostituitedapolimerididuetipi:acidideossiribonucleici(DNA)eacidiribonucleici(RNA).IlDNApuòesseredefinitocomelamolecoladell'ereditàedèildepositariodell'informazionegeneticanellecellule.Essotuttavianonvieneutilizzatodirettamentenellasintesidelleproteine.Questafunzioneèinveceassoltadall'RNAchehailcompitodieffettuarelatrascrizioneelatraduzionediquestainformazione.Ilflussodell'informazionegeneticapuòquindiesseredivisoinduestadifondamentali:DNA (trascrizione) RNA (traduzione) Sintesi

delleproteine.Unainteressanteeccezioneaquestomeccanismoèrappresentatadaalcunivirus(retrovirus),neiqualil'informazionegeneticaèimmagazzinatasottoformadiRNAanzichédiDNA.

Infine,ricordiamobrevementeilipidi,anchesequestinonverrannotrattatiindettaglionellesuccessivesezioni.Ilipidi,rappresentanounaclasseeterogeneadicompostiorganicipresentiinnatura,chevengonoraggruppatinontantosullabasedigruppifunzionalispecifici,quantosullabasediproprietàcomunidisolubilità.Essihannopochissimatendenzaaesseresolubiliinacqua,masonofortementesolubiliinsolventiorganiciaprotici(peresempiodietiletereeacetone).Daquestopuntodivista,dunque,illorocomportamentoèmoltodiversodaquellodicarboidrati,acidinucleicieamminoacidi,chesonopraticamenteinsolubiliinsolventiorganici.Sipossonosuddividereilipidiinduegruppiprincipali.Ilprimogruppoècostituitodailipidistrutturalmentecaratterizzatidaunaporzionenon-polaredigrossedimensioni(parteidrofobica)edaunaporzionepiùpiccolapolare(parteidrofila).Itriacilgliceroli,ifosfolipidi,leprostaglandineelevitamineidro-solubilifannopartediquestoprimogruppo.Ilsecondogruppoèinvececostituitodacompostichecontengonoilcosiddettonucleosteroideo,unsistematetraciclicodianellichecaratterizza,adesempio,ilcolesterolo,gliormonisteroideiegliacidibiliari.

Neiparagrafisuccessiviesamineremoindettagliosoprattuttolachimicadicarboidratieproteine,mentredescriveremosoloparzialmentegliacidinucleici,facendosoprattuttoriferimentoallastrutturadelDNAealsuomeccanismodireplicazione.



Introduzione

Carboidrati

1.Strutturadeicarboidrati:monosaccaridi

2.Strutturadeidisaccaridi

3.Polisaccaridi


Acidinucleici

Glossario

Carboidrati

Icarboidratisonounaclassedicomposticostituitidaidrogeno,carbonioeossigeno,ilcuinomeèdovutoalfattocheessovennesuggeritoinizialmenteperindicareungruppodicompostiorganici,isolabilidasostanzenaturali,diformulageneraleCn(H2O)m,formalmentecorrispondentiaidratidelcarbonio.Dalpuntodivistachimicoicarboidraticorrispondonoapolidrossialdeidiopolidrossichetonioppureacompostiingradodiprodurrequestemolecoleperidrolisi.Questadefinizioneidentificaimmediatamenteigruppifunzionalipresenti:gruppoaldeidico(CHO),gruppochetonico(C=O)efunzionialcolicheOH.LapresenzasimultaneadeigruppiOHedelgruppoaldeidicoochetonico,tuttavia,fasìchelaformaeffettivaprevalentesiaquellaemiacetalicaoemichetalicacomevedremonelseguito.Nellanomenclaturausualmenteutilizzataperquesticomposti,vengonoindicaticomemonosaccaridiomonosiicarboidratichenonsonoingrado,peridrolisi,didarluogoazuccheripiùsemplici,ilterminedisaccarideindicaunozuccheroingradodiforniredueunitàmonosaccaridiche,ilterminetrisaccaridetreunitàmonosaccaridicheecosivia.Iterminioligosaccarideepolisaccarideindicano,invece,zuccheriche,idrolizzati,dannoda2a10molecoledimonosaccarideopiùdi10rispettivamente.Esempidimonosaccaridifortementediffusiinnaturasonoilglucosioeilfruttosio,disaccaridimoltocomunisonoilsaccarosio(ilcomunezuccherodatavola)chepuòesserescissoinunamolecoladiglucosioeunadifruttosioeilmaltosiocheinvece,idrolizzato,dàdueunitàdiglucosio.Unpolisaccarideestremamentediffusoèlacellulosa.Lacellulosa,comeanchel'amido,nonèaltrocheunpolimerodelglucosio.Entrambi,sottopostiaidrolisi,dannomolteunitàdiglucosio.

Imonosaccaridisipossonoclassificareinbase

alnumerodiatomidicarboniopresentinellamolecola(siutilizzanoiterminitriosi,tetrosi,pentosi,esosi,perindicaretre,quattro,cinque,seiatomidicarboniorispettivamente)oppureinbaseallafunzionealdeidica(aldosi)ochetonica(chetosi)presente.

Leduediverseterminologiesipossonocombinaretradiloro;così,unmonosaccarideconseiatomidicarbonioeunafunzionealdeidicadiventaunaldoesoso,mentresegliatomidicarboniosonocinqueelafunzioneèditipochetonicosiparladichetopentoso

Strutturadeicarboidrati:monosaccaridi

Figura1.StrutturalinearedelD-(+)-glucosio(secondolaproiezionediFisher)erappresentazionedeidueenantiomeriDeLdellagliceraldeide.

Esaminiamoindettagliolastrutturadelmonosaccaridepiùdiffusoinnatura:ilD-(+)-glucosio,unaldoesoso,mostratoinFigura1.Ilsimbolo(+)indicachequestozucchero,comeglialtrimonosaccaridi,èotticamenteattivoehalacapacitàdiruotareinsensoorarioilpianodellalucepolarizzata.IlsimboloDfariferimentoall'ultimocarboniochirale(C5)eindicachelaconfigurazionediquest'ultimoèlastessadelcarboniochiraledellaD-gliceraldeide.IdueenantiomeriDeLdellagliceraldeidesonomostratianch'essiinFigura1.LaconfigurazioneDoLdellagliceraldeidepuòesserecollegatafacilmenteaquelladeimonosi,poichétuttiimonosipossonoesserepreparatiapartiredaquestamolecolamedianteunaseriediallungamentisuccessividellacatenadiatomidicarbonio(sintesidiKiliani-Fisher).PerquestomotivosidicecheunmonosaccarideèdiserieDoserieLasecondachel'ultimoatomodicarboniochiraledellacatenaabbialastessaconfigurazionedellaDodellaL-gliceraldeide.

Figura2.Rappresentazioneschematicadell'attaccodapartedelgruppoOHdiunalcoolsulcarboniocarbonilico:l'attaccopuo'avveniresuentrambelefaccedelpianomolecolareeportaallaformazionedidueatomidicarboniochiraliconconfigurazioneopposta.Rindicaloscheletroresiduodellamolecolacontenentelafunzionealcolica.

Laformaprevalentenellaqualesitrovailglucosiononè,inrealtà,quellalinearecorrispondenteallaproiezionediFisheremostratainFigura1,maunastrutturaciclica,corrispondente,daunpuntodivistachimico,adunemiacetale.Lastrutturaciclicaemiacetalicasiformainseguitoall'attaccodapartedell'ossigeno(nucleofilo)dellafunzionealcolica(gruppoOH)legataalcarbonio5sulcarboniocarbonilico(elettrofilo)dellafunzionealdeidicaCHO.Poichéilcarboniocarbonilico,caratterizzatodaunaibridizzazionesp2,haunastrutturaplanare(itrelegantidelcarbonioeilcarboniostessostannotuttisulmedesimopiano),l'attaccodapartedelgruppoOHpuòavveniresuentrambelefaccedelpianodellamolecola(iduepossibiliattacchisonoschematizzatiinFigura2).Questohaunaconseguenzamoltoimportante:ilnuovocentrochiralechesiformainseguitoall'attacco,puòavereduediverseconfigurazioniasecondadellafacciasullaqualetaleattaccoèavvenuto.Perquestomotivolecorrispondentiformeciclicherisultantinonsonoaltrocheduediversidiastereoisomerichedifferisconoperlasolaconfigurazionedelnuovocentrochiralechesièformato(laconfigurazione

dituttiglialtricentrichiralirimaneinvariatarispettoallaformaaperta).Essevengonoindicateconilterminespecificodianomeri:anomero eanomero .IdueanomerisonorappresentatiinFigura3secondoduediverseconvenzioni.Laprimarappresentazione(inalto)èstataottenutautilizzandoleformulediHaworth.Comesivedenelcasodell'anomero ilgruppoOHlegatoalcarbonioemiacetalico(C1)èinposizionecisrispettoalgruppoOHadiacente,mentrenelcasodell'anomero essositrovainposizionetrans.Unamigliorerappresentazione,cheriproduceinmodopiùrealisticol'effettivastrutturatridimensionaledellamolecola,ècostituitadallestruttureasediariportateinbassoinFigura3.Daquestestrutture,cherappresentanoleconformazionipiùstabilideidueanomeri,èevidentecomeigruppipiùingombrantiattaccatiagliatomidicarboniodell'anello(OHeCH2OH)sianoinposizioneequatoriale.FaeccezioneilgruppoOHdelcarbonioC1(carbonioanomerico)cheèequatorialenelcasodell'anomero ,madiventaassialenelcasodell'anomero .LaposizioneassialedelgruppoOHèresponsabiledellaminorestabilitàdell'anomero rispettoaquello .Ladiversaenergiadeidueanomerifasìcheinsoluzioneil -D-glucosiosianotevolmentepiùabbondante(circa64%)dell' -D-glucosio(circa36%).Inrealtàinsoluzionesiinstauraunequilibriofraledueformeemiacetalicheelaformaapertaaldeidicacheèpresenteinunapercentualemoltobassa(circa0,02%).

Figura3.ProiezionidiHaworth(inalto)econformazioniasedia(inbasso)deidueanomeri edelD-(+)-glucosio.

Questoequilibrioèresponsabilediunfenomenocaratteristicodimoltizuccheridettomutarotazione.IlD-(+)-glucosiopuòessereisolatoindueformecristallinediversecorrispondentiaciascunodeidueanomeri: -D-glucosioe -D-glucosio.Idueanomeri,inquantodiastereomeri,sonocaratterizzatidaproprietàfisichediverse:ilprimo,adesempio,haunpuntodifusionedi146°Ceilsecondodi150°C.Ancheilpotererotatoriospecificodellesoluzionideidueanomeriappenapreparateèdiverso:nelprimocasoessoèdi+112°,nelsecondocasodi+18,7°.Ilfattocuriosocheperòcontraddistinguequestaproprietàfisicaèilseguente:perentrambelesoluzioniacquoseottenutedaidueanomeriseparati,essacambianeltempofinoaraggiungereinentrambiicasilostessovaloredi+52,6°.Questofenomenovieneinterpretatosullabasedell'equilibriofraledueformeanomericheelaformaaperta.L'anomero contenutonellaprimasoluzionesiconvertelentamente,attraversolaformaaperta,nell'anomero finoacheidueanomerinonraggiungonol'equilibrio.Lostessosuccedeperlasecondasoluzioneottenutaapartiredall'anomero .Ilpotererotatoriofinalemisurato,paria52,6°,èquellodellamiscelafinalediequilibriodeidueanomeri.

UnaltromonosaccaridemoltodiffusoèilD-(-)-fruttosio.Ilfruttsioècaratterizzatodaungruppofunzionalechetonicoedaunacatenadiseiatomidicarbonio(sitrattaquindidiunchetoesoso).LaformaapertadiquestomonosaccarideèrappresentatasottoformadiproiezionediFisherinFigura4.Ancheinquestocasolapresenzadifunzionialcolicheediungruppocarbonilicodàluogoallaformazionedistruttureciclicheemiacetaliche.Oltreallaformaciclicaaseimembridescrittanelcasodelglucosio,siformainquestocasoancheunastrutturaemiacetalicaacinquemembrichederivadaunattaccodelgruppoOHlegatoalcarbonioC5sulcarboniocarbonilico(gruppoC=O).Ancheinquestocasosipossonoavereduediverseformeanomereasecondadelladirezioned'attaccodelgruppoOHedellarisultanteconfigurazionedelcarbonioemiacetalico(C2).Ledueformeanomeresonorappresentate,inFigura4.Insiemeallestruttureciclicheaseimembriessesonoinequilibrioconlaformaapertachetonicaalcentro.

Figura4.RappresentazionedelD-(-)-fruttosioinformaapertachetonica(proiezionediFisher)edelledueformeemichetalichefuranosiche -D-(-)-fruttofuranosioe -D-(-)-fruttofuranosio.

Perindicareledimensionidelcicloèstatopropostoperglizuccheriunsistemadinomenclaturacheutilizzailterminepiranosioperl'anelloaseimembrieilterminefuranosioperl'anelloacinquemembri(idueterminiderivanodalnomedeiduecompostieterocicliciossigenatiPiranoeFurano).Utilizzandoquestotipodinomenclaturainomicompletiperidueanomeridelglucosiosono -D-(+)-glucopiranosioe -D-(+)-glucopiranosio;quelliperlequattroformeemiacetalichedelfruttosiosono -D-(-)-fruttofuranosioe -D-(-)-fruttofuranosio(anelliacinquetermini)e -D-(-)-fruttopiranosioe -D-(-)-fruttopiranosio(anelliaseitermini).

Lapresenzaall'equilibriodiunacertapercentuale,perquantoridottadiformaapertaaldeidicaochetonica,èresponsabiledelfattochesiailD-glucosiocheilD-fruttosiovenganoossidatidaglistessireattiviingradodiossidarelealdeidiegli -idrossichetoni.IreattivigeneralmenteusatiperossidareimonosisonoireattividiBenedictediTollens,l'acquadibromoel'acidonitrico.IlreattivodiTollens,adesempio,ècostituitodaunasoluzioneacquosadinitratod'argentoeammoniaca.InquestasoluzioneèpresenteilcomplessoAg(NH3)2+,unagenteossidanteblandoingradodiossidareilgruppoaldeidicoagruppocarbossilatoCOO-.L'argentocontemporaneamentesiriducedallostato+1adargentometallico(statodiossidazione0),chesidepositasulleparetidellaprovettautilizzataperilsaggio,formandounospecchiod'argento.GlizuccherichedannosaggiopositivoconireattividiTollensoBenedictsonotuttiicarboidraticaratterizzatidallapresenzadiungruppoemiacetalico(comeilglucosio)oemichetalico(comeilfruttosio).Questizuccherisononoticonilterminedizuccheririducenti.

Unmonosaccaridepuòessereconvertitoinglicosidefacendoloreagireconunalcoolinpresenzadiunacido.Unglicosidenonèaltrochelaformaacetalicadiunozuccheroecomequalsiasiacetalesiottieneperreazione,catalizzatada

acidi,dellaformaemiacetalicaconunalcool.Ilglicosidedelglucosiosichiamaglucoside,quellodelfruttosiofruttoside.Ledueforme e delglicosidedelglucosioottenuteperreazioneconalcoolmetilico(metil- -D-glucosideemetil- -D-glucoside)sonorappresentateinFigura5.Èimportantemettereinevidenzache,mentreperunmonosaccarideinsoluzioneacquosasihasempreequilibriofraidueanomerielaformaaperta,lostessononaccadeperunglicoside.Unglicoside o ,inquantoacetale,èstabileinsoluzioneacquosaenonsiconvertenell'altroanomero.Èquindievidentecheunozucchero,setrasformatoinformaglicosidica(acetalica)nonpuòdaremutarotazione,nonessendopresenteall'equilibriolaformaaldeidica(ochetonica)libera.Perlostessomotivoicarboidratichecontengonogruppiacetalici(ochetalici)nonpossonovenireossidatidaireattividiBenedicteTollens.Perquestosonodettizuccherinonriducenti.

Figura5.Conformazioniasediadelmetil- -D-glucosideemetil- -D-glucoside.

Strutturadeidisaccaridi

NeidisaccaridiillegamecheunisceledueunitàmonosaccaridicheèditipoglicosidicoecoinvolgeilcarbonioC1diunaunità(carbonioanomerico)eunafunzionealcolicadell'altraunità.Esempididisaccaridiimportantisonoilmaltosio,ilsaccarosioeillattosio.

Ilmaltosiodeveilproprionomealfattocheèpresentenelmalto,illiquidochesiottienedallafermentazionedell'orzoedialtricereali.PeridrolisiacidailmaltosioforniscedueunitàdiD-(+)-glucosiolequalisonounitedaunlegameglicosidicochecoinvolgeilcarbonioC1(anomerico)diunaunitàeilcarbonioC4dell'altraunità.LastrutturadelmaltosioèrappresentatainFigura6.Ilmaltosioesistesottoformadiduediverseformeanomerechedifferisconoperlaconfigurazionedelcarbonioemiacetalicodellasecondaunitàdiglucosioesonocaratterizzatedaduediversivaloridelpotererotatoriospecifico( -maltosio>+168°, -maltosio>+112°).Comenelcasodelglucosioedelfruttosio,lapresenzadiuncarbonioemiacetalicofasìcheidueanomerisianoinequilibriofradiloroattraversolaformaaldeidicaapertadellasecondaunitàdiglucosio.Ilmaltosioèquindicaratterizzatodalfenomenodellamutarotazioneedèunozuccheroriducente.

Figura6.Anomeri e delmaltosioinequilibrioconlaformaaldeidicaaperta.

Ilsaccarosio,checostituisceilnormalezuccherodatavola,èottenutoperestrazionedallacannadazuccheroedallabarbabietola.IlsaccarosiofornisceperidrolisiacidaunamiscelaequimolarediD-glucosioeD-fruttosio.LastrutturadiquestodisaccarideèmostratainFigura7.Icarbonicarbonilicidientrambiimonosaccaridi(C1delglucosioeC2delfruttosio)sonoimpegnatinellaformazionedilegamiglicosidiciesonoquindicarboniditipoacetalico(legame -glucosidicoe -fruttosidico.Perquestomotiviilsaccarosioèunozuccherononriducente.Essoèstabileinsoluzioneacquosaenondàquindimutarotazione.

Figura7.Strutturadel(+)-saccarosio.

Peridrolisiparzialedellacellulosasiottieneilcellobosio.Questodisaccaridedifferiscedalmaltosiosoloperlaconfigurazionedellegameglucosidico:ledueunitàdiglucosiochelocostituisconosonoinfattiunitedaunlegame-glucosidicocomerisultaevidentedallaFigura8,doveèrappresentatol'anomero .Comeilmaltosioancheilcellobosio,poichécontieneuncarbonioemiacetalico,èunozuccheroriducenteedècaratterizzatodalfenomenodellamutarotazione.

Figura8.Strutturadell'anomero delcellobosio.

Polisaccaridi

Unpolisaccarideèuncompostolacuimolecolaècostituitadamolteunità(centinaiae,avolte,migliaia)monosaccaradichetenuteinsiemedalegamiglicosidici.

Lacellulosa,oltreadessereilpolisaccaridepiùabbondante,èancheilcompostoorganicopiùdiffusoinnatura.Stimeapprossimativeindicanocheogniannonevengonosintetizzatecirca1011tonnellate.Bastaricordarecheillegno,adesempio,ècompostodacircail50%dicellulosaeilcotonedacircail90%.L'idrolisicompletadellacellulosa(effettuataconunasoluzionediHClal40%)dàsoltantomolecolediD-glucosio,mentrel'idrolisiparzialeforniscecellobosio.Questoindicacheillegamechecollegalevarieunitàmonosaccaridicheèditipo -glucosidico.Ancheseildisaccaridecellobosioèunozuccheroriducenteedàmutarotazione,questononèveroperlacellulosa.Ciòpuòesserespiegatoconilfattochelaprobabilepresenzadiatomidicarbonioemiacetalicisoloallafinedilunghecatenepolisaccaridiche(circa14000unità)nonèsufficienteperosservarelereazionitipicheassociateallapresenzadiuncarbonioemiacetalico.UnarappresentazioneschematicadiuntrattodicatenadicellulosaèdatoinFigura9.

Figura9.Strutturadellacellulosa.

LastrutturalinearedellecatenedicellulosafasìcheigruppiOH,datalalorocollocazioneequatorialesull'anello,sianouniformementedirettiversol'esternodellacatena.L'orientazionedeigruppialcolicifasìchelevariecatenesipossanoassociaresaldamentefradilorograzieallaformazionedilegamiidrogeno(ognilegameidrogenocoinvolgel'atomodiossigenodelgruppoOHdiunacatenael'idrogenodelgruppoOHdiunacatenaparallela).Questeinterazioniattrattivedeterminanounimpaccamentodellevariecatenedicellulosadandoluogoaunpolimerorigido,fibroso,assaipocosolubileechepossiedelaresistenzaidealepercostruireleparetidellecellulevegetali.

Ilpolisaccaridepiùabbondantedopolacellulosaèl'amido,

anch'essoformatodaunitàdiglucosio:èpresentenellepiantesottoformadigranulinelleradici,neituberieneisemi.L'amidopuòessereseparatoinduepolisaccaridiprincipali:amilosioeamilopectina.L'amilosioècostituitodacatenecontinue,nonramificate,diunitàdiD-glucosio(senepossonoaverefinoa4000)esidifferenziadallacellulosapoichélevarieunitàsonolegatefradilorodalegami -glicosidici.L'amilopectinaèunpolisaccaridestrutturalmentepiùcomplesso.Essoècaratterizzatodaunastrutturamoltoramificataecontieneduetipidiversidilegamiglicosidici:(a)unlegame -glicosidicofrailcarbonioC1diunamolecoladiglucosioeilcarbonioC4dellamolecolasuccessivacomenelcasodell'amilosio;(b)unlegame -glicosidicofragliatomidicarbonioC1eC6didueunitàdiglucosio.IduediversilegamisonomostratiinFigura10perunframmentodipolimerodiamilopectina.

Figura10.Strutturaramificatadell'amilopectina.



Introduzione

Carboidrati


Acidinucleici

Glossario


Daunpuntodivistachimicoleproteinenonsonoaltrochedellepoliammididoveleunitàmonomeresonocostituiteda-amminoacidi.Gliamminoacidichesiottengonodall'idrolisiacidaobasicadelleproteine(unaventina)sonotutticaratterizzati,apartelaglicinacheèilpiùsemplicediessi,dauncarboniochiralealqualesonolegatiiduegruppifunzionaliNH2eCOOH.QuestocarboniohasempreconfigurazioneL.Taletipodinotazione,comegiàfattonotarenelcasodeglizuccheri,staaindicarecheilcarboniodegliamminoacidihalastessaconfigurazionedelcarboniochiraledellaL-gliceraldeide.Laformulagenericadiun -amminoacidoèmostratainFigura11,dovelaconfigurazionedelcentrochiraleèmessainevidenzatramiteunaproiezionediFisheredèparagonataaquelladellaL-gliceraldeide.

Figura11.Formulageneralediun -amminoacido.Laconfigurazionedelcarboniochirale(carbonio )èmessainevidenzanellaproiezionediFishereparagonataaquelladellaL-gliceraldeide.

Lecelluleutilizzanoidiversi -amminoacidipersintetizzareleproteinenecessarie.Gliamminoacidi,alorovolta,possonoesseresintetizzatidatuttigliorganismiviventi.Tuttaviaalcunespeciebiologiche,fracuil'uomo,nonsonoingradodisintetizzarealcunidegliamminoacidichecompongonolerispettivecateneproteiche.Questiamminoacidiessenzialidevonoquindiessererecuperatidall'ambienteesternotramiteladieta.Leproteine(animalievegetali)chevengonocosìingerite,sonoidrolizzateegliamminoacidiottenutivengonoricombinatinell'ordinerichiestoperlasintesidelleproteinenecessarie.Nelcasodegliumanigliamminoacidiessenzialisonootto:Valina(Val),Leucina(Leu),Isoleucina(Ile),Fenilalanina(Phe),Triptofano(Trp),Treonina(Thr),Metionina(Met),Lisina(Lys).LalorostrutturaèmostratainFigura12.Entroparentesièriportatoilsimboloconilqualequestiamminoacidivengonocomunementeindicati.

Figura12.Strutturadegliamminoacidiessenziali.

Lasequenzaconcuiivariamminoacidisisusseguonolungolacatenaproteicacostituiscelastrutturaprimariadellaproteina.Quandolecatenepolimerichechesiottengonodall'unionedeivariamminoacidinonsonomoltolunghe(pesomolecolareinferiorea10.000)siutilizzailterminepolipeptide,anzichéquellodiproteina.Piùprecisamenteunamolecolaformatadadueamminoacidilegatidaunlegameammidicosichiamadipeptide,segliamminoacidisonotre(quindiconduelegamiammidicipresenti)siusailterminetripeptide,ecosìviafinoadieci.Perunnumerodiamminoacidicompresofradiecieventisiusailtermineoligopeptide,mentreilterminepolipeptideèriservatoamolecoleformatedamoltedecinediamminoacidi.Lasuccessionediamminoacidi,saldatifradilorodalegamiammidici(comunementeindicaticonilterminedilegamipeptidici)vieneprecisatautilizzandoinsequenzaisimbolicaratteristicideivariamminoacidi.Perconvenzioneivariamminoacidivengonoscrittiapartiredasinistracominciandodall'amminoacidochehailgruppoNH2libero(ovverononimpegnatoinunlegamepeptidico)eprocedendoversodestraindirezionedell'amminoacidoconilgruppoCOOHlibero.L'amminoacidoasinistra(NH2libero)vieneindicatocomeamminoacidoN-terminale,mentrequelloadestra(gruppoCOOHlibero)èdettoamminoacidoC-terminale.

LasequenzaGly-Ser-Ala,adesempio,indicauntripeptideincuiunamolecoladiglicina(amminoacidoN-terminale)èlegataadunamolecoladiserina(inposizionecentrale)equesta,asuavolta,adunamolecoladialanina(amminoacidoC-terminale).Ilegamipeptidicicoinvoltisonoovviamentedue:Gly-SereSer-Ala.LastrutturadeltripeptideGly-Ser-AlaèmostratainFigura13,conl'indicazionedeilegamipeptidicipresenti.

Figura13.StrutturadeltripeptideGly-Ser-Ala(inalto)eformazionedellegamepeptidicofraledueunitàdiglicinaeserina.

Ènecessario,aquestopunto,esaminareindettagliolanaturadellegamepeptidico(caratteristichegeometricheedelettroniche).Unacomprensionediquestiaspettièindispensabileperrendersipienamentecontodeilivellidicomplessitàsuperioriallastrutturaprimaria,chevengonogeneratidalripiegamentodellacatenapolipeptidicanellospazio(strutturasecondariaeterziariadellaproteina).AquestopropositoconsideriamoindettaglioillegamepeptidicodiFigura13fraledueunitàdiglicinaeserina.IldimeroGly-Serèrappresentatoinmododametterneinevidenzalecaratteristichestrutturalifondamentali.Èevidentecometuttigliatomilegatidirettamentealcarbonioeall'azotodellafunzioneammidicasianosullostessopiano(pianodelfoglio).Isolilegamichefuoriesconodalpianosonoquellifraicarbonitetraedricieisostitutenti(dueatomidiidrogenoperlaglicinaeunatomodiidrogenoedungruppoCH2OHperlaserina).QuestecaratteristichestrutturalisonoconfermatedastudicristallograficiairaggiXiqualimettonoinevidenzaaltriaspettiinteressanti:peresempioillegameC-Nèinsolitamentecortoperunlegamesingolo(1,32Å)eillegameC=O(1,23Å)unpo'piùlungodiunnormalelegamecarbonilico.Inoltregliangolidilegameattornoall'atomodiazotoammidicosonomoltovicinia120°enona109°comecisipuòaspettareperunazotocheformatrelegamiinunostatodiibridizzazioneapprossimativamenteditiposp3.Questageometriapuòesseregiustificataassumendocheillegamepeptidico(eingeneraleillegameammidico)possaesseredescrittoaccuratamentesolocomeunibridodirisonanzadelledueformulelimitiIeIImostrateinFigura14.LaformulalimiteImetteinevidenzaundoppiolegamecarbonio-ossigeno,mentrelostessolegameèdescrittocomesingolonellaformulalimiteII.Analogamenteillegamefrailcarboniocarbonilicoel'atomodiazotoèsingoloinI,madiventadoppioinII.Ilmovimentodeldoppiettoelettronicodall'azotoallaregionedellegameC-Neilconseguentespostamentodeldoppiettopsull'atomodiossigenocomportaunaseparazionedicaricainII(azotopositivoeossigenonegativo).ComeèbennotodallateoriadellarisonanzalamolecolarealenoncorrispondenéaInéaII,maèunacombinazionedellecaratteristichedientrambeleformulelimiti.CosìillegameC-Navrànellarealtàunnon

trascurabilecaratteredidoppiolegame(ilchespiegaillegameinsolitamentecorto)el'azotoavràunastrutturapiùomenoplanare,conangolivicinia120°,necessariaperpermetterelaconiugazionedeldoppiettoelettronico.L'accentuatocaratteredidoppiolegamepresentenellegamepeptidicoimpediscedifattounaliberarotazioneattornoall'asseC-Nemantienequestidueatomieiquattroatomiadessilegatituttisullostessopiano.Èinveceliberalarotazioneattornoailegamifrailcarboniocarbonilicoeilcarboniotetraedrico(chirale)efraquest'ultimoel'atomodiazoto.Questecaratteristichestrutturalisonodiimportanzafondamentaleneldeterminarelastrutturasecondariadelpolipeptideodellaproteina.

Figura14.Strutturelimitichedescrivonoillegamepeptidico.

Figura15.Ipoteticastrutturaplanaredicatenepolipeptidiche.Nellaparteinbassoèmessainevidenzal'interazionediduecatene,oduesegmentidellastessacatena,tramitelegamiidrogeno.

Lastrutturasecondariariguardal'orientazionenellospaziodeivariamminoacidiinregionilocalizzatediunacatenapolipeptidica.ConsideriamounaipoteticacatenadicuirappresentiamoinFigura15(inalto)unbrevetrattocompostodacinquegenericiamminoacidi,mettendoinevidenzaperognimonomerol'orientazionecorrettadeivarilegami.Comesivedelastrutturacomplessivacorrispondeadunasuccessionedipiani(unpianoperognilegamepeptidico)tutticoincidenticonilpianodelfoglioeseparatidaigruppiCHR(carboniotetraedricochirale).Poichél'ossigenodelcarbonileel'idrogenodelgruppoNHsonoinposizionerelativatrans,igruppiRsitrovanoalternativamentedaunaparteedall'altrarispettoalpianogeneraledell'interastruttura.Poichélacatenasisnodanellospazioconsuccessiviripiegamenti(unaspeciedinastroripetutamenteripiegatosusestesso),immaginiamocheduesegmentidellastessacatenasidisponganoparalleliaccoppiandositramitelaformazionedilegamiidrogenofral'atomodiidrogenodelgruppoNHdiunsegmentoel'ossigenodelgruppocarbonilicodell'altrosegmento.Si

ottieneinquestomodolastrutturariprodottainbassoinFigura15.Nonostantel'effettostabilizzantedeilegamiidrogeno,tuttavia,lastrutturacompletamenteplanaremostratanonesistenelleproteinenaturaliacausadellerepulsionisterichecheessacomportafraigruppiRdeiduesegmentidicatenaaffacciati.NellarealtàlecatenesicontraggonoattraversorotazionipiùomenosignificativeattornoailegamisingoliN-C*eC*-C(carbonilico)chepermettonodiallontanareigruppiRingombrantieallentarelarepulsione.Acausadiquesterotazionilastrutturadaplanarediventacorrugatadandoluogoaquellacheènotacomestruttura apiegheoconfigurazione .QuestotipodistrutturasecondariaèrappresentataschematicamenteinFigura16.Comesivedelastrutturatridimensionaledellaconfigurazione puòessereassimilatanelsuocomplessoaunasortadiportaasoffietto(ofisarmonica)nellaquale,suglispigoliformatidaivaripiani,sitrovanoposizionatiicarbonitetraedriciC*.Inrealtà,questotipodistrutturaèingradodiaccomodaregruppiRnontroppovoluminosi.Questoèquellocheaccade,peresempio,nelcasodellafibroina,laproteinadellaseta,nellaqualeèpresenteil48%diglicina(R=H)eil38%diserina(R=CH2OH)ealanina(R=CH3).

Figura16.Struttura apiegheoconfigurazione diunacatenaproteica.

SeigruppiRdiventanopiùingombrantilastrutturasecondariapreferitaèquellaindicataconiltermine elica,certamentelastrutturasecondariapiùimportanteperleproteinenaturali.Inessalacatenapolipeptidicaèavvoltaaspiraleaformareun'elicadestrorsacon3,6amminoacidiperognigiro(ilterminedestrorsastaaindicarechesesigiral'elicainsensoorario,questasiavvitaallontanandosidall'osservatore).Questastruttura,riportatainfigura17,èstabilizzatadaduefattori:

Ognigruppoammidicodellacatenaformalegamiidrogenoconungruppoammidicosovrastanteeunosottostantelungol'elicaaunadistanzaditreamminoacidi(perlaprecisioneperognilegamepeptidicoilgruppoN-Hpuntaversoilbassoapprossimativamenteparalleloall'assedell'elicaeilgruppoC=Oindirezioneoppostainmododaottimizzarel'interazioneO...H);igruppiRingombrantisonoorientativersol'esternodell'elicaperminimizzarelerepulsioni.

Unesempiodi -elicaèdatodalla -cheratinachecostituiscelaproteinadeipeli,delleunghieedellalana.Unaltroesempioèlamiosinacheèlaproteinadeimuscoli.

Figura17.Strutturadeltipo -elica.SonoevidenziatiilegamiidrogenofraigruppiC=OeN-H.

Lastrutturaterziariafariferimentoalripiegamentonellospaziodell'interacatenaproteica.Anchesenonesisteunaseparazionenettafrastrutturasecondariaestrutturaterziaria,sipuòdirechelaprimafariferimentoallaconfigurazionespazialedegliamminoacidivicinil'unoall'altro,mentrelasecondatienecontodelladistribuzionespazialedituttigliatomidiunacatena.Cosìalcunitrattidellacatenapossonoesserepresentisottoformadi -elicaealtricomeconfigurazione ,asecondadeltipodiamminoacidipresenti,mentreiresiduisegmentipolipeptidicisonocaratterizzatidastrutturenonperiodiche,diversamentedalledueprecedenti,chiamateconformazioniaspiraoadansa.L'interacatenaèpoiavvoltainmodopiùomenocomplessoaformarelastrutturaterziaria.

Interazionidivarianaturagiocanounruoloimportanteneldeterminarelastrutturaterziaria:

1. Iripiegamentidellacatenaproteicaavvengonoinmodotaledaorientareilmaggiornumeropossibiledigruppipolari(gruppiidrofili)versol'ambienteesternoacquosoeigruppinonpolari(gruppiidrofobicomequellidivalina,leucina,isoleucina,fenilalanina)versolezoneinternedellaproteina,ilpiùlontanopossibiledallemolecoled'acquacircostanti.

2. Interazionielettrostatichefrasitipositivi(comeioneammonio)esitinegativi(comeionicarbossilato).

3. Legamiidrogeno.4. Legamidisolfuro.

QuestiultimisiformanofraigruppiCH2SHdiduemolecoledicisteina.IgruppiSHsiossidanoperformareunlegamedisolfuro-S-S-fraduesegmentiavvoltidellastessacatenaofraduecatene,comeaccade,peresempio,nell'insulinaumana.Questaproteina,inparticolare,ècostituitadaduecatenepolipeptidiche:lecateneAeBformateda21e30amminoacidirispettivamente.Duelegami-S-S-connettonoleduecateneinduediverseposizioni:unlegamecoinvolgelacisteinadiAinposizione7elacisteinadiBnellastessaposizione,l'altrolegameconnetteledueposizioni20e19diAeBrispettivamente.Inoltreunlegamesiinstauraall'internodellacatenaAfraleposizioni6e11.IlegamisonoindicatischematicamenteinFigura18.

Figura18.Rappresentazioneschematicadell'insulinaumana.Sonomessiinevidenzaipontidisolfurointra-catenaeinter-catene.

Alcuneproteine,detteproteineglobulari,sonoavvolteinmodomoltocomplessoaformareunaspeciedigomitolodiformaapprossimativamentesferica.Unesempiodiproteinaglobulareèlamioglobina,unaproteinapreposta,insiemeall'emoglobina,suoanalogostrutturale,altrasportoeall'immagazzinamentodell'ossigenoneivertebrati(l'emoglobinalegal'ossigenomolecolareneipolmonielotrasportaallamioglobinaneimuscoli;quest'ultimaimmagazzinal'ossigenofinoaquandoessononvienerichiestoperleossidazionimetaboliche).Lastrutturatridimensionaledellamioglobinaèstatadeterminataindettaglio.PerquestolavorofuassegnatoilpremioNobelnel1962aiduericercatoribritanniciJ.C.KendreweM.F.Perutz.Questaproteinaècostituitadaunasingolacatenapolipeptidicaformatada153amminoacidiavvoltasusestessaaformareunaspeciediscatola.Sonopresentilungolacatenaottosezionidi -elica,separatedaripiegamenti(anse)dellacatena,iqualiincludonocircail75%delnumerocomplessivodiamminoacidi.Ilripiegamentodellacatenaètaledaorientareversol'internoigruppiidrofobidifenilalanina,valina,isoleucinaemetionina,mentrelasuperficieesternadellamolecolaèrivestitadicateneidrofilecomelisina,argininaeserina.

Oltreadappartenereallaclassedelleproteineglobulari,lamioglobina,comel'emoglobina,vieneancheclassificatacomeproteinaconiugata.Leproteineconiugateincludonounapartenonproteica,chepuòessere,peresempio,unozucchero,dettogruppoprostetico.Nelcasodimioglobinaeemoglobinailgruppoprosteticoèilgruppoemecheoccupaunacavitàdellamolecola.L'emeècostituitodaunoioneFe2+cheformaquattrolegamidicoordinazionecongliatomidiazotodiunamolecoladiporfirina(vediFigura19)eunquintolegame,approssimativamenteperpendicolarealpianodell'anelloporfirinico,conl'azotodell'anelloimidazolicodiunaistidinaappartenenteallacatenapolipeptidica.Ilsestositodicoordinazionerimanecosìliberopercoordinareunamolecoladiossigeno,comemostratoadestrainFigura19.

Figura19.AnelloporfirinicoconalcentrounoioneFe+2(asinistra).Coordinazionecomplessivadelloione

Fe+2nell'eme(adestra).

Molteproteinedielevatopesomolecolaresonoinrealtàdegliaggregatididueopiùcateneproteicheesonocaratterizzatedaunastrutturaquaternariachecorrispondealladisposizionetridimensionaledellevariecatenenell'aggregato.Unesempiodistrutturaquaternariaèdatonuovamentedall'emoglobinacheècostituitadaquattrocateneseparate:duediquestesonocostituiteda141amminoacidielerimanentida146amminoacidiciascuna.Lequattrocatene,ognunadellequalipossiedeungruppoemechepuòcoordinarel'ossigeno,sonodisposteinunastrutturaglobaleditipotetraedriconellaqualel'aggregazionedellequattrounitàèstabilizzataprincipalmentedaeffettiidrofobici.



Introduzione

Carboidrati


Acidinucleici

1.Lastrutturaprimariadegliacidinucleici

2.StrutturasecondariadelDNA

3.LareplicazionedelDNA

Glossario

Acidinucleici

Vièunacertaanalogiastrutturalefraacidinucleicieproteine.Cosicomeleproteinesonopolimerilinearidiamminoacidi,gliacidinucleicisonopolimerilineariicuimattonicostituentisonoinucleotidi.Questeunitàmonomerepossonoessereottenuteperdegradazioneincondizioniblandedegliacidinucleici,mentreun'idrolisicompleta(acida,basicaoenzimatica)nefornisceicomponentifondamentali:questisonorappresentatidaunozucchero(ilD-ribosionelcasodell'RNAeildeossiribosionelcasodelDNA,entrambiinformafuranosica),unabaseeterociclica(purinicaopirimidinica)eunoionefosfato.Lastrutturadel-D-ribosioedel -2-deossi-ribosioèmostratainFigura20(ilterminedeossistasemplicementeaindicarecheilgruppoOHinposizione2èsostituitodaunidrogeno).

Figura20.Strutturadel -D-ribosio(RNA)edel2-deossi- -D-ribosio(DNA).

LequattrobasichesiottengonoperidrolisidelDNAsonoinvecemostrateinFigura21.

Figura21.LebasipresentinelDNAeRNA.

Essesonol'adenina,laguanina,lacitosinaelatimina.Lebasichesiottengonodall'RNAsonolestesseeccettuatalatiminacheèsostituitadall'uracile,anch'essomostratoinFigura21.Unnucleosidesiottienecombinandouna

molecoladiD-ribosio(RNA)odi2-deossiribosio(DNA)conunabaseeterociclicaazotatatramiteunlegame -N-glicosidico.

Figura22.Strutturadiduenucleosidi:adenosina(RNA)edeossiadenosina(DNA).

InFigura22sonomostratelestrutturediduenucleosidi:unoderivatodall'RNAedunodalDNA.Ilprimo(adenosina)contieneinfatticomeunitàmosaccaridicailD-ribosiolegatoallabaseadeninaeilsecondo(deossiadenosina)contieneil2-deossi-D-ribosiolegatoallamedesimabase.GlialtrinucleosidiassociatialDNAsonoladeossiguanosina(2-deossi-D-ribosio+guanina),ladeossicitidina(2-deossi-D-ribosio+citosina),ladeossitimidina(2-deossi-D-ribosio+timina).Analogamente,irimanentinucleosidiperl'RNAsonolaguanosina(D-ribosio+guanina),lacitidina(D-ribosio+timina)el'uridina(D-ribosio+uracile).Unnucleotide,checostituiscelaveraunitàmonomeradell'acidonucleico,puòessereottenutodaunnucleosideesterificandounamolecoladiacidofosforicoconunossidrileliberodellacomponentemonosaccaridica,normalmentel'ossidrileattaccatoalcarbonioC3'oC5'(neinucleotidigliatomidicarboniodellozuccherosonoindicaticoninumeri1',2',3',...).LastrutturageneralediunnucleotidedelDNA,incuil'esterificazioneèavvenutasulgruppoOHinposizione5',èmostratainFigura23.

Figura23.Strutturageneralediunnucleotide.Sonomesseinevidenzaleposizioni3'e5'sullequalipuo'avvenirel'esterificazione.

NelseguitodiquestasezionefocalizzeremolanostraattenzionesoprattuttosulDNAdicuiesamineremoagrandilineelastrutturafondamentaleeilmeccanismodireplicazione.

1.Lastrutturaprimariadegliacidinucleici

Esaminiamooralasequenzaconcuiivarimonomerisisuccedonolungolacatenadiunacidonucleicoaformareloscheletrocovalenteostrutturaprimariadelpolimero.SeconsideriamounfilamentodiDNA,loscheletroècostituitodaunitàalternatedideossiribosiolegatoadunabase

(nucleoside),edifosfato.L'acidofosforicoèdoppiamenteesterificatoeformaunpontefrailcarbonioC3'diunnucleosideeilcarbonioC5'diunaltronucleoside.Lebasieterocicliche,legatealcarbonioanomericoC1',sidistaccanodall'ossaturadelpolimerocostituitadall'alternarsidiunitàdiacidofosforicoedizucchero.UnarappresentazioneschematicadellastrutturaprimariadiuntrattodifilamentodiDNAèriportatainFigura24.Lasequenzadellebasi,ovverol'ordineconcuilevariebasisisuccedonolungolacatena,puòesserespecificatoelencandosemplicementeleletterecheindicanolesingolebasi,partendo,asinistra,dall'estremitàdellacatenaconilgruppoOHinposizione5'liberoeprocedendoversodestraindirezionedellaposizione3'libera.Isimbolichevengonoutilizzatiperlevariebasisonolelettere(maiuscole)inizialidelnome:A=adenina,G=guanina,C=citosina,T=timina,U=uracile.

Figura24.StrutturaprimariadelDNA.Labasepuo'esserecitosina,timina,adenina,guanina.

2.StrutturasecondariadelDNA

Comenelcasodelleproteineanchegliacidinucleicisonocaratterizzatidaunastrutturasecondaria.UnmodelloperlastrutturasecondariadelDNAfupropostonel1953daJ.D.WatsoneF.H.C.Crickefuconfermatonel1962daM.WilkinstramitetecnicheairaggiX.SecondoquestomodelloduelunghecatenediDNAsonoavvolteinunadoppiaelicaattornoallostessoasse.Leduecatenepolimerichesonodisposteparallelamentel'unaall'altra,macorronoindirezioneopposta:questosignificacheaentrambeleestremitàdelladoppiaelicaèpresentel'estremità5'diunfilamentoel'estremità3'dell'altrofilamento.Ledueelichedestrorsesonoorientateinmodotaledaavereloscheletrodizuccheroefosfatonellaparteesternadellastrutturaconlebasirivolteversol'interno.Legamiidrogenofralebasitengonoinsiemeladoppiaelica.L'ampiezzamassimadellaspiraleèdi20Å.Diecicoppiesuccessivedinucleotidi,condiecicoppiedibasi,dannoluogoadungirocompletodella

spirale.Duediverserappresentazionimoltoschematichedeiduefilamentidelladoppiaelicachecorronoparalleli,mainsensoopposto,conlevariebasiaccoppiatefradiloro,sonodateinFigura25.

Figura25.DuerappresentazionischematichedelmodelloadoppiaelicadelDNA.Sonoevidentigliaccoppiamentifralevariebasi.

Ilegamiidrogenochetengonoinsiemeladoppiaelicanonpossonoformarsiinmodocasuale,madevonoformarsisolofraspecifichecoppiedibasi.LecoppieconsentitenelcasodelDNAsono:adenina-timina(A-T)ecitosina-guanina(C-G).Leduebasiadeninaetiminapossonointeragiretramiteduefortilegamiidrogeno,mentrecitosinaeguaninapossonoformaretrelegamiidrogeno.L'effettostabilizzantecomplessivodovutoaquesteinterazionièdicirca10kcal/molnelprimocasoecirca17kcal/molnelsecondo.Leduecoppiedibasiconsiderateconl'indicazionedeilegamiidrogenoeivalorideirelativiparametristrutturalisonomostrateinFigura26.Altriaccoppiamentinonsonoconsentitiperché,osiavrebberocoppiedibasitroppovoluminoseoilegamiidrogenochesiverrebberoaformarenonsarebberoaltrettantofortiestabilizzanti.Questofattofasìcheleduecatenedelladoppiaelicasianodeltuttocomplementari:ognivoltacheunamolecoladiadenina(A)compareinunacatena,unatimina(T)deveesserepresentenellacorrispondenteposizionesullacatenaopposta.Inmodoanalogounaguanina(G)daunaparteimplicalapresenzadiunacitosina(C)dall'altra.QuestocaratterecomplementaredellecateneèevidentedaidueschemidiFigura25.

Figura26.Legamiidrogenoperleduecoppiedibasiadenina-timinaecitosina-guanina.ÈindicatoperognibaseillegameconilC1'dell'unita'dideossiribosio.

3.LareplicazionedelDNA

IlDNAimmagazzina,comegiàdetto,ilcodicegeneticonellecelluleviventi.L'informazionegeneticaècodificatanellesequenzeparticolaridibasipresentichedeterminano,alorovolta,l'esattasequenzaincuiivariamminoacididevonocomparirenelleproteinesintetizzatecome,adesempio,unenzima.Latrasmissionedelcodicegeneticodaunacellulaall'altraavvieneattraversounaduplicazioneesattadellacatenadelDNA.LareplicazionedelDNAimplicalaseparazionedeiduefilamentidelladoppiaelica,ognunodeiqualifunzionacomeunveroepropriostampochedeterminalasequenzadibasideiduenuovifilamentichesivannoformando.Immediatamenteprimadelladivisionecellulare,ladoppiaelicadiDNAcominciaasvolgersiadunadelledueestremitàesuciascunadelleduecateneinizianoaformarsileduecatenecomplementari.Questotipodireplicazione,schematizzatainFigura27,èconsiderataditipoconservativopoichéinognunadelleduenuovedoppieelicheèpresenteunfilamentoprovenientedall'elicaoriginale.Inrealtà,lareplicazioneimplicaunaseriepiuttostocomplessadireazionicatalizzatedaenzimidiversi.Atitolodiesempio,l'enzimaDNA-polimerasicatalizzalareazionediaddizionedinuovinucleotidiallacatenaincrescita.

Figura27.IlprocessodireplicazionedelDNA.

LasintesidientrambeleduenuovecatenediDNAavvienenelladirezione(estremità5') (estremità3').Ricordandocheleduecateneoriginalicorronoparallele,maindirezioniopposte,sihacomeconseguenzachealbiviodireplicazione(vediFigura27)unadelleduenuovecatenedevepresentareliberounOHall'estremità3'el'altranuovacatenaunOHall'estremità5'.Èinteressantenotareche,mentreilcomplementaredelfilamento3' 5'vienesintetizzatocomeunacatenacontinuasenzainterruzioni,ilcomplementaredell'altrofilamentovieneprodottocomeunaseriedicortecatene.EnzimispecificiprovvedonopoiasaldarefradiloroquestisegmentieaformareilnuovofilamentocompletodiDNA.



Introduzione

Carboidrati


Acidinucleici

Glossario

Glossario

Acetale.Unaclassedicompostiorganicicaratterizzatidaungruppofunzionalecostituitodaunatomodicarbonioalqualesonolegatiduegruppi-OR.Gliacetalisonocompostistabiliinambienteacquoso,mentrevengonoidrolizzatiinambienteacquosoacidoperdareunaldeide(ounchetone)eduemolecoledialcool.Nelcasosiottengaunchetonesiparlapiùpropriamentedichetali.

Aldeidi.Unaclassedicompostiorganicicaratterizzatidalgruppofunzionale-CH=O

Ammidi.Unaclassedicompostiorganicicaratterizzatidalgruppofunzionale-C(NRR')=O(R=Hogruppoalchilico)

-idrossichetoni.ChetonicaratterizzatidallapresenzadiungruppoOHlegatoalcarbonioinposizionearispettoalgruppocarbonilico(ilcarbonio èquelloimmediatamenteadiacentealcarboniocarbonilico).

Chetoni.UnaclassedicompostiorganicicaratterizzatidalgruppofunzionaleC=O.

Carboniochirale.Unatomodicarbonioconquattrosostituentidiversifradiloro.Ilterminecarbonioasimmetricoèequivalente

Chetale.Vediacetale.

Diastereoisomeri.Duestereoisomeri(vedipiùavanti)chenonsonol'unol'immaginespecularedell'altro.

Elettrofilo.Unaspeciechimica(atomo,molecolaoione)ingradodiaccettareuncoppiadielettroniperlaformazionediunnuovolegame.

Emiacetale,Emichetale.UncompostoorganicocaratterizzatodaungruppofunzionalecostituitodauncarbonioalqualesonolegatiungruppoOHeungruppoOR.Gliemiacetaliegliemichetalisiottengonoperreazionediunalcoolconaldeideounchetonerispettivamente.

Enantiomeri.Duestereoisomeri(vedipiùavanti)chesonol'unol'immaginespecularedell'altro.L'unicaproprietàfisicaperlaqualedueenantiomerisidifferenziano,èlalorocapacitàdiruotareilpianodellalucepolarizzata:seunenanantiomeroruotatalepianodiunangolo insensoorario(+),l'enantiomerooppostoloruotadellostessovalore,mainsensoantiorario(-).

Nucleofilo.Unaspeciechimicaconunacoppiadielettronidisponibilechepuòesseredonataadunaspeciepoveradielettroniperformareunnuovolegame.

Ossidazione.Cessionedielettroni.Seunatomosiossida,aumentailnumerochedefinisceilsuostatodiossidazione.

Potererotatoriospecifico.Questagrandezzarappresentalarotazioneingradiprovocatadaungrammodisostanza

otticamenteattivascioltoinunmldisoluzioneconuntubopolarimetricolungoundecimetro.Ipoterirotatorispecificisonodinormariportatiadunatemperaturadi25°CutilizzandolarigaDdellalampadaalsodio(lunghezzad'onda=5896Å).

ProiezionediFisher.Unmodoconvenzionaleperrappresentaresuunasuperficiebidimensionalelaconfigurazionediuncentrochirale.Ilcentrochiraleèrappresentatodall'incrociodiduelinee.Isegmentiverticalichesidipartonodalcentroindicanoduelegamichesiallontananodall'osservatore,mentreiduesegmentiorizzontaliindicanoduelegamidirettiversol'osservatore.

Riduzione.Acquisizionedielettroni.Seunatomosiriduce,diminuisceilnumerochedefinisceilsuostatodiossidazione.

Stereoisomeri.Sitrattadimolecolechehannolastessaformulabrutaenellequaliivariatomisonolegatifradiloronellostessoordine,masonoorientatidiversamentenellospazio.Lediverseorientazioninonpossonoessereinterconvertiteleunenellealtrepersemplicerotazioneattornoailegami,masoltantopreviarotturadiquesti.Duestereoisomerisonoquindiduestrutturenonsovrapponibili.



Introduzione

Carboidrati


Acidinucleici

Glossario

Letture

Letture

Letture

*H.Dugas,Bio-organicchemistry.AchemicalApproachtoEnzymeAction,Springer-Verlag,NewYork,1999;

*A.Fersht,Strutturaemeccanismid'azionedeglienzimi,Zanichelli,Bologna,1989;

*R.H.Abeles,P.A.Frey,W.P.Jencks,Biochimica,Piccin;

*M.Page,A.Williams,OrganicandBio-organicMechanisms,Longman,London,1997;

*R.J.Fessenden,J.S.Fessenden,ChimicaOrganica,Piccin;

*R.H.Garret,C.M.Grisham,Biochimica,Zanichelli,Bologna,1998.


http://www.chemdex.org/chemdex/periodic-tables.htm

http://www.chemweb.com/

http://sgi.bls.umkc.edu/biolinks

http://www.cato.com/biotech/


Primetappedell'evoluzionedeiviventiAntonioBonfitto

Introduzione

Struttureefunzionidellacellulavivente

Autoconservazioneeprocessienergetici

Acidinucleici:DNAeRNA


Sintesidelleproteine

Meccanismidireplicazione

Teoriesull'originedellavita

Ipotesisullafasebiochimicaeprebiologica

Glossario

Letture

Introduzione

TraifenomenichecaratterizzanoilpianetaTerra,ilpiùcomplessoeimponenteèsicuramenteilfenomeno"vita".Almomentononsiamoingradodidefinireinmodoesaustivotalefenomeno;possiamosolamentedescriverlointerminifunzionali,sufficienti,tuttavia,aconsentircidisepararenettamentelestruttureviventidatuttelealtre.

Lestruttureviventicondividonounaseriedicaratteristichecomplessivamenteesclusive(ancheselestessepossonocompariresingolarmenteinaltrestrutturenonviventi,comeadesempioneicristalli):sonotuttedotated'individualità,sonocioèstrutturedelimitaterispettoall'ambiente,purnonessendoneisolate;sonotutteingradodiottenereenergiaattraversol'assimilazioneelatrasformazionechimicad'idoneesostanzepresentinell'ambiente;sonotutteingradodiprodurrecopiedilorostesse;tendonoadesprimereunbassotassod'alterabilitàesonocapaciditrasmetterloallapropriadiscendenza;infine,tuttelestruttureviventicessanodifunzionarequalorasiaintrodottonelloroambiente,internooesterno,unfattoreincompatibileconlaloroesistenza.Indefinitiva,lafunzionalitàdeiviventisembrapoteresserericondottaatrecaratterifondamentali,chesiesprimonocome:

1. autoconservazione,lacapacitàdimantenersiinvita,conlanutrizione,l'assimilazioneelaproduzioned'energiabiologica;

2. autoreplicazione,lacapacitàdipropagarelavitaattraversolareplicazionecellulareelariproduzione;

3. autoregolazione,lacapacitàdidirigeresestessiconlacoordinazione,lasincronizzazione,laregolazioneedilcontrollodellereazionibiologiche,interneedesterne.

Lapiùelementaredellestruttureingradodicompierequestefunzionièlacellulavivente,elementocostitutivodituttigliorganismiviventi,dalpiùpiccolodeibatteriallapiùgrandedellebalene.




Introduzione









Glossario

Letture


Inchemodolacellulaèingradod'autoconservarsi,autoriprodursiedautoregolarsi?Perrispondereaquestadomandaènecessarioanalizzarealcunedellestrutturechelacaratterizzano:MembranacellulareLamembranacellularecircondalacellulaeledàindividualità.Sitrattadiunastrutturamoltocomplessachehailcompitodiregolaregliscambidimaterialeconl'ambiente,rendendolacellulaunsistemaenergeticoaperto,circoscrittonellasuaorganizzazionestrutturalemaincontinuorapportoconl'esterno.CitoplasmaÈlasostanzacheriempielospaziointernoallacellulaechecircondagliorganulicellulari.Trasparente,traslucido,gelatinoso,hasoprattuttoilcompitodidareturgoreallacellulaedifavorirelosvolgimentodialcuneimportantireazionibiologiche.CloroplastiSonoorganellicellularitipicidellecellulevegetali.Rappresentanolestruttureall'internodelqualeavvienelafotosintesiclorofilliana,processocheconsenteallepiantedisintetizzarequeglizuccherichesarannosuccessivamenteutilizzati,neimitocondri,perottenereenergia.Lacapacitàdiautosintesidisostanzenutritizieèesclusivadeicosiddettiorganismiautotrofi;alcontrario,quegliorganismichesonocostrettianutrirsidisostanzaorganicagiàsintetizzata,comeglianimalioifunghi,sonodefinitieterotrofi.MitocondriOrganellicellularialcuiinternoavvengonoquellereazionichepermettonolatrasformazionedellesostanzenutritizie(zuccheri)inenergiachimicautilizzabiledallacellula.Questoprocessoprendeilnomedirespirazionecellulare.EssopermettedisintetizzaremolecolediATP(adenosintrifosfato),l'unicocompostenergeticoutilizzabileneiprocessidisintesicellulare.NucleoIlnucleorappresentalacentraleoperativadellecellule.Essoèpresentesolonegliorganismidefinitieucarioti.Alsuointernosonocustoditetutteleinformazioninecessarieallacostruzionedelleproteineindispensabiliallavita.TalearchiviobiochimicoèrappresentatodalDNAnucleare.Negliorganismiprividinucleo(procarioti)ilDNAèdispersonelcitoplasmasottoformadiununicofilamentocircolare.RibosomiSonoparticolariorganellicellularichehannoilcompitodicostruireleproteine,apartiredagliamminoacidi,sullabasedelleinformazionicontenutenelDNA.




Introduzione









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Letture


Unprincipiofisicouniversalevuolechetuttelestruttureorganizzatesianoincalzatedalladisorganizzazione;lagrandezzafisicachemisuraquestogradodidisordineprogressivoèl'entropia.

Gliorganismiviventirappresentanolestrutturepiùcomplesseeorganizzatechesiconoscano.Perlottarecontroglieffettidell'entropia,checonduconoallamorte,lacellulahaunbisognocontinuodienergiafresca,cheèassuntasottoformadialimenti.L'energiachimicainessicontenutaproviene,direttamenteoindirettamente,dalSolee,quindi,glialimentipossonoessereconsideraticomeenergiasolareinconserva.

SenzailSole,lavitasullaTerrasarebbeimpossibile.Mainchemodocigiungequest'energia?IlSoleirradiacontinuamentenellospaziocircostantedelleradiazionielettromagnetiche(ultravioletti,lucevisibile,infrarossi,ecc.)cheviaggianosottoformadi"pacchettienergetici"dettifotoni.Ilprocessodicatturaeutilizzazionedell'energiacontenutaneifotoniprevededuetappe:lafotosintesiclorofillianaelarespirazionecellulare.Laprimadiquesteduetappeavvieneneicloroplastidellecellulevegetali.Inquestiorganulièpresenteunaspeciedi"mulinosolare"lecuipalesonodatedallemolecolediunasostanzaverde:laclorofilla.Percomprenderecomequestomulinosiaingradodigirareeprodurreenergiabisognaspostarsialivelloatomico.

Tuttigliatomidellesostanzesonoformatidaunnucleocentraleattornoalqualegiranodelleparticellecarichenegativamentedetteelettroni.Glielettronigravitanoattornoainucleiadunadistanzabendefinita,corrispondenteadundeterminatolivellodienergia.Seglielettronidiunatomosonocolpitidaunraggioluminoso(equindienergetico)sonoingradodisvincolarsimaggiormentedall'attrazionedelnucleoediallontanarsi,portandosisuunorbitapiùlontana,equindipiùenergetica(livellodell'elettroneeccitato).Sitratta,tuttavia,diunlivelloinstabilee,dopopocotempo,questielettroniricadonoallivelloenergeticodipartenza,restituendo,sottoformadiunaltrofotone,l'energiacheavevanoricevuto.

Nellafotosintesiclorofilliana,questecadutesonocanalizzateall'internodistruttureadeguate(sistemiditrasportatoridielettroni)checonsentonodirecuperarel'energialiberatadaglielettroniinricadutaediutilizzarlainunprocessodisintesidisostanzeorganicheapartiredasostanzeinorganiche.GlielettronidegliatomicheformanolemolecolediclorofillasonofacilmenteeccitabiliallalucedelSole.Questofasìcheinognimolecolasiproducono,perogniistante,migliaiaemigliaiadisaltielettronici.Ladebolecorrenteelettricaprodottadaquestemigliaiadicadute

elettroniche,chepossonoessereparagonatealflussodiuntorrentechefagirareleturbinediunacentraleidroelettricaoalsoffiodelventochemuovelepaledelmulino,vieneutilizzatasiapercostruireilcibocheperricaricarepartedelleriserveenergetichedellacellula.Inparticolare,nelcorsodellafotosintesi,lacellulavegetaleutilizza6molecoledianidridecarbonicapiù6molecolediacqua,piùenergiasolare,persintetizzareunozuccheroa6atomidicarbonio,ilglucosio.Comeprodottodi"rifiuto"siliberanonell'aria6molecolediossigeno(nelcasodellafotosintesiaerobia).Insintesi:

Alcontrariodellepiante,gliorganismieterotrofisonocostrettiaprocurarsilesostanzenutritiveinformagiàconfezionataalimentandosidipianteo,comeconsumatorisecondari,dialtrianimalivegetariani.Inquestomodosonoingradodiassicurarsilesostanzezuccherineenergetichedicuihannobisognoperiloroprocessicellulari.Glizuccheriingeritivengonotrattatiinmododariestrarre"l'energiasolare"chevierastataimprigionataalmomentodellasintesi.QuestaenergiavieneutilizzataperprodurremolecoleenergetichediATP,l'unicocombustibileutilizzabiledagliesseriviventi.Questoprocessoènotocomerespirazionecellulare(danonconfondereconlarespirazionepolmonare)edavvieneneimitocondri,cuiarrivano,trasportatidalsangue,siaglizucchericontenutineglialimenticheingeriamo,chel'ossigeno,assuntodaipolmoni.

Ilprocessopuòesseredistintoinduetappe:

1. inizialmenteilglucosiovienefrantumato,inassenzadiossigeno,indueframmentiatreatomidicarbonio;questareazione,analogaallafermentazione,èdettaglicolisi(letteralmenterotturadelglucosio)epermettediottenere,giàinquestafase,unapiccolaquantitàdienergia;

2. successivamente,questidueframmentiatreatomidicarboniovengonoinseritiinunaspeciedimacinachimica,ilcosiddettociclodiKrebs,chelitriturafinoatrasformarliincompostielementari.Questasecondatappaavvieneinpresenzadiossigenoeconsentedibruciarelasostanzainmododaestrarrefinoall'ultima"goccia"dienergiachimicacontenuta.Comesostanzedirifiutosihannoanidridecarbonicaedacqua:

Èevidentecheiprodottifinalidellarespirazionerappresentanoiprodottiinizialidellafotosintesi.Inmoltiorganismichevivonoinassenzadiossigeno(anaerobi)ilprocessodirespirazionecellularesifermaallaprimatappa,cioèallaglicolisi.Èquestoilcasodeibatterifermentatori,traiqualiricordiamoibatteriresponsabilidellafermentazionedell'alcol.Interminidiresaenergetica,laglicolisièmenoefficientedellarespirazionecellularecompleta,inquantoessadàcomeprodottifinalidueframmentidizuccheroatreatomidicarbonioancoraricchidienergia.Interminidirendimentoenergeticolarespirazionecellulareconsentediprodurreunaquantitàdienergia18voltesuperioreaquellaottenibiledallasemplicefermentazione.

Siègiàaccennatoalfattochequestaenergia,peressereutilizzata,deveessereimmagazzinatainunamolecolaparticolare,l'ATPoadenosintrifosfato.Sitrattadiunamolecola"riciclabile"che,quandoècarica,èingradodicedererapidamentel'energiainessacontenutatrasformandosiinADPoadenosindifosfato.L'energialiberatanelcorsodellarespirazionecellularevieneutilizzata,appuntoper"ricaricare"l'ADPritrasformandoloinATP.

UtilizzandoATP,lacellulapuòsvolgeretuttelesuefunzioni

vitalicomportandosicomeunaveraepropriaindustriachimica.Unindustria,però,moltoparticolare.Infattilacelluladeveautocostruirsilestrutture(proteinestrutturali),glioperai(enzimi)elematerieprime(molecoleorganiche)dicuihabisogno.Perfarequesto,deveessereancheingradodicurarelamanutenzionedelproprioapparatoedicontrollareipropriciclidiproduzione.Tuttequesteattivitàsonosottoilcontrollodegliacidinucleici:DNAedRNA.Grazieaquestocontrolloeallesuecapacitàdigestione,lacellulapuòautoregolarel'insiemedellesueattivitàchimicheefunzionali(metabolismo).Inchemodo?

Perrispondereaquestedomandeèindispensabileanalizzareildifferentefunzionamentodiunamacchinaautomaticaacomandorigidoediunamacchinaacomandoflessibile,un"servomeccanismo",cioèunmeccanismoingradodimodificaredasoloilsuocomportamentoinfunzionedelleinformazionichericevedall'ambientecircostanteUnsistemadisemaforièunclassicoesempiodimacchineacomandorigido.Essesimodificanosecondounaseriedieventiprestabiliti(adesempiolasequenzaeladuratadeicolori).Lasequenzadelleoperazionisisvolgesecondocicliidentici.Unservomeccanismolavorainmododiverso.Prendiamoadesempiounacapsulaspazialechedebbaeffettuareunappuntamentoorbitaleconunastazioneplanetaria.Unavoltainorbitalacapsulasimuovepermezzodipiccoligettiprodottidaugelliorientati.Ladistanzachelaseparadalsuoobiettivovienevalutatapermezzodiradar.Idativengonotrasmessiaduncomputerchevalutaautomaticamenteloscartoesistentetraladistanzaeladirezionerealeeladistanzaeladirezionedesiderata.Gliaggiustamentivengonoottenutiazionandoigetti.Inpraticalacapsulaèingradodidirigersidasolasull'obiettivoediprocederepererrorieaggiustamentisuccessivi.Essaè,cioè,ingradodimodificareilsuocomportamentoinfunzionedell'informazionechericeve:nonlavorasecondouncicloprestabilito.Questisistemipossiedonodunqueunacertaautonomianelcompiereillorolavoroel'impressionediintelligenzachecilascianoèdovutoadunaloroproprietàfondamentale:laretroazioneofeed-back.

Ingenere,lemacchinecompionoillorolavorosecondosequenzelogicheincuilacausaprecedeglieffettienonliseguemai.Èilcasodelsemaforo,incuilaprogrammazionedellacentralina(causa)stabiliscegliintervallidicolore(effetto).Nellemacchineservoassistite,alcontrario,glieffettisonocollegatiallelorocauseepossonoprecederledeterminandole.Lanavicellaazionaigettiorientati(causa)esimuove(effetto).Tuttavialospostamento,quindil'effetto,vieneanalizzatoinmododastabiliresesianecessarioomenoazionaredinuovoigetti.Quindi,inquestocaso,l'effettoprecedeeregolalacausa.Questolegametraeffettoecausasichiamaretroazione.Èevidentecheciòchecircolainunsistemaretroattivoèun'informazione,unsegnalesuscettibilediscatenareun'azione.Questainformazionepuòcorrerelungounfiloelettrico,untubo,un'ondaradar,mapuòesseretrasportataaltrettantobenedaunamolecola.

Inunacellulalaregolazionedellereazionibiochimicheèsottocontrolloenzimatico.L'insiemediquestereazioni,indefinitival'attivitàcomplessivadellacellula,rappresentailmetabolismocellulare(causa).Iprodottidell'attivitàmetabolicavengonodettimetaboliti(effetti).Quandolaconcentrazionediunadeterminatasostanza(diundeterminatometabolita)raggiunge,nellacellula,ilgiustolivellodiconcentrazione,lecatenedimontaggiodevonopoteresserebloccate.Inaltriterminilaproduzionedeveesserearrestataquandol'offertasuperaladomandaoavviatadinuovonelcasoopposto.Questopuòavveniresiaagendosuglienzimicheregolanoilprocesso,siasultrattodiDNAchefornisceleinformazioninecessarieaqueltipodiproduzione.Questosistemacellulareautoregolanteèstrutturatosecondolestesseleggidellaretroazione.Inquestomodolacellulaadattainpermanenzalasuaproduzioneaisuoibisogni;indefinitivalacellula

rappresentauncomplessosistemaservoassistitoincuituttoretroagiscesututto,inmodotalechelacellulapossadirigersidasola.




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GrazieallescopertediJ.D.Watson,F.H.C.CrickedM.H.F.Wilkins,premiNobelperlamedicinanel1962,ogginoisappiamochel'immensaquantitàdiinformazioninecessariealla"costruzione"degliesseriviventièiscritta,alivellomolecolare,inunlungofilamentodoppio,formatodavaricompostichimicinotocomeDNAoacidodesossiribonucleico.Tuttalaparticolaritàdiquestamolecolarisiedenellasuacapacitàdiautoduplicarsiodiforniredellecopiedisuoitrattiparticolari.Analizziamonelastrutturadibaseutilizzandounmodellinopercomprenderel'importanzadiquestomeccanismo(Fig.1).

Figura1.SchemastrutturaledelDNA.

Consideriamodellespineedellepresedoppieetriple.Immaginiamochequestepreseospinesianodotatediunabasemagneticacaratterizzatadaduepoliingradodiesercitareunadeboleattrazioneneiriguardidellebasicontigue.Mettendoallagiustadistanzamoltidiquestielementièpossibileottenereunfilamentodipreseespineaffiancate.Volendocreareunsecondofilamentocomplementarealprimo,lanostralibertàdiazionesaràlimitatadalfattoche,incorrispondenzadellapresadoppiadelprimofilamento,potremousare,nelsecondofilamento,sololaspinadoppiaenonlatripla.Quest'ultimapotràessereusatasoloincorrispondenzadellaspinatripla.Eviceversa.Inpraticainquestomodoèpossibileottenereunaspeciediscalaincuiisupportimagneticiformerannoimontantilaterali,mentreipiolisarannorappresentatidallepreseedallespinecomplementari.SechiamiamoGlaspinatripla,C

lapresatripla,AlaspinadoppiaeTlapresadoppia,gliuniciaccoppiamentipossibilisarannotralaGdiunfilamentoelaCdell'altro(oviceversa)etralaTdiunfilamentoelaAdell'altro(oviceversa).Nessunlimiteèpostoallalunghezzadelfilamento.Inquestomodoèpossibileottenere,adesempio,unfilamentoformatodaG-T-A-C-T-TcheavràcomefilamentocomplementareC-A-T-G-A-A.Sivedesubitochelasequenzadellesingoleletterepuòserviredabaseperuncodice,esattamentecomeunaseriedipuntielineerappresentalabasedelcodiceMorse.

IlDNAèstrutturatosecondounmodelloanalogo.Ilcompostoèinfattiformatodaduelunghissimifilamentiottenutidall'unionediquattroelementidettibasi:laGuanina,laCitosina,laTiminael'Adenina.Questesonoancorateadunsupportochimicorappresentatodaunzucchero,ildeossiribosio,eaduncompostochimicoriccodienergia(unfosfato).Ilfosfato,grazieallasuaenergia,collegatradilorolemolecoledizuccheroinmododaformareimontantidellascala.Lebasi,invece,sisusseguononeiduefilamentiaformareipiolidellascaladisponendosiinmodotalechelaGuaninaabbiasempredifrontelaCitosinaechelaTiminaabbiadifronte,sulfilamentocomplementare,l'Adenina.Lebasisonounitedaundebolelegamechimico.Iduefilamenticosìformatisonoavvoltitradiloroaformareunadoppiaelicaspirale(Fig.2).Inpratica,pervisualizzareunamolecoladiDNA,bastaimmaginareunascalache,presaperledueestremità,vengaritortaneiduesensi.Lozucchero,ilfosfatoedunabase,unititradilorocostituisconounnucleotide.IfilamentidiDNAsonoquindiformatidaunasuccessionedinucleotidi.Lasuccessionedellebasilungoilfilamentoidentificauncodicegeneticodi4lettere,G,C,T,A.Laletturadiquestocodiceavvienepergruppiditrelettere.Adesempio,volendoleggerelasuccessionidellebasilungoilfilamentoT-A-G-C-A-A,dovremmoconsiderareche,apartiredalpuntoiniziolettura,T-A-Grappresentaun'informazioneeC-A-Aun'altrainformazione.Questigruppiditreletterevengonodettitriplette.ConsiderandolalunghezzadeifilamentidiDNA,èfacileimmaginarelemigliaiaditriplettecheinessosisusseguonoe,conseguentemente,lemigliaiadiinformazioni.L'insiemedelleinformazionicontenuteinunparticolaretrattodiDNAidentificaungene.Igenicontengonoleinformazionirelativeatuttiicaratteripropridiqueldeterminatoorganismo(genotipo).Mainchemodol'informazionecontenutaneigenisimanifesta,alivellostrutturaleefunzionale,nell'organismovivente?Qualèilmeccanismocheconsentedimantenerepressochéinalterataquestainformazione,generazionedopogenerazione?

Figura2.RappresentazionegraficadelDNA.

ImmaginiamodiaprireiduefilamentidiDNAinmododapoterlisuccessivamentecompletareconaltrinucleotidiliberipresentinelnucleo.Questiandrannoadappaiarsiaisingolifilamentiapertisecondolaregoladellebasi:Citosinacon

Guanina(eviceversa),AdeninaconTimina(eviceversa).Èevidentecherispettandol'appaiamentotrabasicomplementari,dalfilamentooriginalediDNAsenepossonoottenere2uguali,inquantoisingolifilamentioriginalifungonodamatriceperlacostruzionedifilamenticomplementari.

Grazieaquestacapacitàdiautoreplicarsi,ilDNAèingradodiprodurrecopiedisestessoocopiedisuoitrattiasecondasesianecessarioduplicareintegralmentel'informazioneinessocontenutaofornireuninformazioneparziale,quella,adesempio,utileaconsentirelasintesidiunadeterminataproteina.

OltrealDNA,nellacellulaèpresenteunaltrotipodiacidonucleico:l'RNAoacidoribonucleico.EsistonodiversitipidiRNA,perinostriscopiètuttaviasufficienteanalizzarnesolodue:l'RNAmessaggero(mRNA)el'RNAditrasferimento(tRNA).AdifferenzadelDNA,l'RNAèunacidonucleicoafilamentosingolo;ècostituitodaunacatenadinucleotidianalogaaquelladelDNAmaunadellebasi,laTimina,èsostituitadaunabasedifferente:l'Uracile.GliRNAsvolgonounruoloimportantissimonellatraduzionedelmessaggiocontenutonelDNAenellaconseguentesintesidelleproteine.




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Fondamentalmentel'informazionecontenutanelDNAvieneutilizzataperassemblareproteine.

Esistonoduediversitipidiproteine,leproteinestrutturali,cherappresentanoimaterialidicostruzionedellacellule,eleproteineenzimatiche,chesvolgonoilruolodiregolatorideiprocessicellulari(leproteineenzimatichenonsologuidano,marendonoanchepossibilicertereazionichimichechenormalmentenonavverrebberoalivellocellulare).Perquantodiversipossanoesserequestiduetipidiproteineolelorofunzioni,tuttesonocostituitedaglistessielementidibase:gliamminoacidi.Neiviventiesistonoventiamminoacididifferenti,tuttiperòdotati,alleestremità,diunsistemadiancoraggiochimicoidentico:unsitoposteriorechimicamenteacidoedunsitoanteriorechimicamentebasico(amminico).Perunirsitradilorogliamminoacidifannoreagireillorogruppoacidoterminaleconilgruppoamminicodell'amminoacidoseguente.Inquestomodosiformaunlegamesolidoepossonocostituirsilunghecatene(catenepolipeptidiche).

Aquestopuntopossiamocominciareamettereinsiemetuttiglielementifinquiesaminatiperdarealcunerisposteadomandetipo:perchéècosiimportantelastrutturadelDNA?Qualèilsignificatodelcodicegeneticoedellesingoletriplette?QualisonoirapportidelDNAconl'RNAequalèlafunzionedeidiversitipidiRNA?Inchemodovengonosintetizzateleproteine?




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AbbiamovistocheleinformazionisonoscrittesulDNAutilizzandoun"alfabeto"diquattrolettere(lebasi)chespecifica,divoltainvolta,paroleditrelettere(letriplette).Unatriplettaidentificaunamminoacido.Gliamminoacidisiunisconoaformareleproteine.Questoprocessoavvienenelcitoplasma,quindialdifuoridelnucleo,mailDNAnonabbandonamaiilnucleo.QuestainformazionevieneveicolatadalDNAnuclearealcitoplasmadall'RNAmessaggero.Vediamocome.

Ipotizziamochelacellulaabbialanecessitàdicostruireunadeterminataproteina.Vièquindibisognodisaperequaliamminoacidiutilizzare.IlprimopassaggioprevedecheladoppiaelicadelDNAsiapraincorrispondenzadeltratto(gene)contenenteletriplettechecodificanogliamminoacidinecessari.Aquestopunto,grazieadeimeccanismichimicieallapresenzadibasiisolatepresentinelnucleo,lacellulacostruisceunostampoinnegativodiquelparticolaretrattodiDNA.LacostruzionediquestostampoèresapossibilepropriodallaparticolarestrutturadelDNAedalfattochel'unionetralebasièditipoobbligato;seiltrattoconsideratodiDNAcomprendelatriplettaCGC,questaverràtrascrittacomeGCG.SiottienecioèunfilamentocherappresentaunasortadifotocopiainnegativodelmessaggiopositivodelDNA.Questofilamentocostituiscel'RNAmessaggero(mRNA)(danotarechenell'mRNAlabasecomplementaredell'Adeninaèl'UracileenonlaTimina).L'mRNAabbandonailnucleoesiportanelcitoplasma.Quivieneaffiancatodaunribosomache,dopoaverindividuatounatriplettaparticolare,chenonspecificaperunamminoacido,macheindicailpuntodiiniziolettura,cominciaascorrerlonelsensodellalunghezza.Ilribosomaleggelesingoletripletteeleattiva.NelcitoplasmacircostantesitrovanofilamentidiunaltrotipodiRNA,l'RNAditrasferimento(tRNA),eamminoacidiliberi.L'attivazionedelletriplettespecificatenell'RNAmessaggerofasìchegliRNAditrasferimentovadanoacercare,traitantipresentinelcitoplasma,gliamminoacidicorrispondenti.

Questivengonoportatisulribosomaeunitiaformarelacatenaproteica.Divoltainvoltailribosomasisposta,ditriplettaintripletta,eilprocessoterminanelmomentoincuicomparelatriplettachehailsignificatodi"finelettura".Aquestoproposito,bisognadirecheconuncodicediquattroletteresipossonoottenere64triplette,quindisipotrebberospecificare64amminoacidi;tuttaviaseneconosconosoltanto20e,ancheconsiderandouncertonumeroditripletteconsignificatodi"inizio"e"fine",sihacomunqueunacertaabbondanzaditripletterispettoagliamminoacidiesistenti.Talefenomenoènotocomeridondanzagenicaefasìchetriplettediversespecifichinolostessoamminoacido.Inpratica,ogniamminoacidoèidentificatodaunasingolatripletta,mapiùtriplettepossonospecificarelostesso

amminoacido.Ilsignificatodellaridondanzagenicarisiedenelfattocheinquestomodoèpossibilelimitarealmassimoleconseguenzederivantidaeventualierrorioperatisiainfaseditrascrizionedelmessaggio,cheinfasedilettura,oppureconseguentiapiccolemutazionichepossonoavvenirenelcodicegenetico.Tenendopresentecheèsolol'ordinediassembaggiodegliamminoacidichedeterminalecaratteristichedelleproteine,èfacilecomprenderecomelacellulapossacostruiremigliaiadiproteineaventisignificatistrutturaliefunzionaledifferenti.




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Ladivisionecellulareèquelprocessocheconsente,apartiredaunacelluladettacellulamadre,laformazionediduecellulefiglieadessaidentiche.Ilprocessoènotocomemitosi.

Negliorganismiunicellularichesiriproduconosenzal'interventodeiduesessi(riproduzioneasessuata)lamitosicoincideconlariproduzione.Negliorganismipluricellularilamitosiconsentelacostruzionediunindividuoformatodamiliardidicelluleapartiredaunasingolacellulafecondata.Inquestiorganismi,inoltre,ladivisionecellulare,permettedisostituirelecelluleusuratepercausenaturalioaccidentali(adesempioneiprocessidicicatrizzazione).

IlprocessodidivisionecellulareavvieneattraversovariefasichecomportanoladuplicazionedelDNAelasuasuccessivasuddivisioneinduecellulefiglie.Inquestomodoilflussodiinformazionetragenerazionicellularisuccessiverestacostante.Nelcorsodellariproduzionesessuale,duecellule(cellulegerminaliogameti)sifondonotraloroinunacellulafigliache,nelcasodiorganismipluricellulari,daràorigineadunnuovoindividuo(zigote).Sequesteduecellulegerminalifosserougualiatuttelealtrecelluledell'organismo,dallalorofusionesioriginerebbeunorganismoconuncontenutodiDNAdoppiorispettoallanorma.Innaturaquestononaccade,inquantoquestecellulesubisconounatrasformazioneinizialechedimezzaillorocontenutodiDNA.Ilprocesso,dettomeiosi,vieneresopossibiledalfattocheilgenotipodiunorganismoèdatodallasommadidueseriegenicheidentichechesimanifestano,alivellonucleare,primadiognidivisione,sottoformadicoppiedicromosomi(corredodiploide).Inpraticaleinformazionirelativeadundeterminatocaratteresonopresentiinduplicecopiasuduecromosomiugualimadistinti.

Conlameiosi,attraversolecellulegerminali,ognigenitoretrasmetteunasolaseriecromosomica(corredoaploide)inmodotaledaricostituire,almomentodellafecondazione,ilnormalecorredodiploidetipicodiquellaspecie.L'individuochesisvilupperàdallacellulafecondata,tuttavia,puressendodotatodiuncorredogeneticoquantitativamenteugualeaquellodeigenitori,presenteràcaratteristichegenetichequalitativamentedifferenti,siaperchéèilfruttodiunafecondazioneincrociata,siaperché,nelcorsodellaformazionedellecellulegerminali,intervengonoprocessidirimescolamentogenetico(crossingover),chefavorisconolacomparsadicaratterivariatinelladiscendenza.Aquestavariabilità,inoltre,puòaggiungersiunavariabilitàindottadafenomenidimutazionegenicacasuale(siaalivellodisingolebasichealivellocromosomico)chepossonocomportarelacomparsadicaratteriassolutamenteoriginali(nonnecessariamentefavorevoli).

Grazieaquestimeccanismilavitapuòmanifestarsiinformeindividualiassolutamenteoriginaliedifferenti.Gliorganismichesiriproduconoasessualmentegeneranofigliassolutamenteugualialorostessielalorovaribilitàèunicamentedeterminatadallacomparsadimutazionigeniche.




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Abbiamovistochelafunzionalitàcellulareutilizzaduesistemibiologici,ilsistemageneticoedilsistemametabolico;ilprimosibasasugliacidinucleici,DNAeRNA,ilsecondosulleproteine.Iduesistemisonoentrambiindispensabiliallavita,tuttavia,qualedeiduesisiaformatoperprimo,quandoeattraversoqualimodalitàsonotraitemipiùdibattutiecontroversidellabiologiaevolutiva,nelmomentoincuiquestacercadifornireteoriecircal'originedellavita.

Seescludiamoapriori,perchéscientificamenteindimostrabile,lateoriacreazionista,secondolaqualelavitasarebbestatacreatadaunentesoprannaturale,ledueprincipaliipotesiriguardantil'originedellavitafannoriferimentoallapossibilitàcheessasiastataimportatasullaTerradallospazio,sottoformadigermiospore(ipotesicosmozoicaodellapanspermia)(Arrhenius,1907)ochesisiaoriginata,sulnostropianeta,spontaneamenteedirettamentedamaterialenonvivente(teoriadellagenerazionespontanea).

LateoriadelfisicosvedeseSvanteArrhenius,ripresaallafinedeglianniSettantadall'astrofisicoFredHoyle(cometecomevettoridivitanell'universo),estremizzataaddiritturadalpremioNobelFrancisCrik(teoriadellapanspermiaguidata,secondolaqualelavitasarebbestatatrasportatasulnostropianetadaextraterrestriabordodinavicellespaziali),silimitaaspostarel'ambitodioriginedelfenomeno,manonfornisceunarispostacircalasuaorigineassoluta.Nelcontempo,lateoriadellagenerazionespontaneadellavita,giàespressadaAristotelenelIIIsec.a.C.,puravendogodutodilargoseguitoperquasiduemilaannièstatadefinitivamenteconfutata,nel1863,daLouisPasteur,chehadimostratocomequalsiasiformadivita,anchelapiùmicroscopica,nonpuòcheoriginarsidaaltravita.Maèsemprestatocosì?

Unapproccioditipo"abiogenetico"(vitaoriginatadallanonvita)sembraessereindispensabilealmenopercaratterizzareleprimefasidisviluppodelfenomeno.Infatti,tutteleteorieattualicercanodidefinireunoscenarioinorganico,all'internodelqualecollocareelementichimiciprimordialidallecuiinterazioniilfenomenopuòaveravutoorigine.Aquestoapproccio"abiogenetico"ènecessario,tuttavia,aggiungerelacoscienzadell'esistenzadiunafenomenologia"evolutiva"chesolorecentementeèstataacquisita.Talecoscienzaconsente,infatti,diimmaginareuna"vitainevoluzione"nonstaticaeimmutabile(teoriefissiste),unavitachenasceesisviluppa,unavitachecambianelcorsodiuntempoenorme.IlmeritodiaveroffertoallaScienzaun'organicateoriaevolutivaediaverindividuatoperessaunmeccanismoimmanente(SelezioneNaturale)medianteilqualetaleevoluzioneavrebbepotutoavvenire,vaattribuitoalgeniodiunnaturalistainglese,Charles-RobertDarwin

(1809-1892).

Nellavisioneevoluzionista(visionechehaavuto,nelfrattempo,notevolisviluppisiaconcettualichesperimentali)lavitasullaTerranonsimanifestaattraversoformeimmutabiliestatiche,mainformedinamicheemutevoli.Nelcorsodiuntempoenorme(dellacuivastitànonsièavutacoscienzafinoalXIXsecolo)questeformesonocambiate,diversificate,viaviamodulandosisemprepiùall'ambientechimico-fisicocheleaccoglie,anch'essocaratterizzatodaunestremodinamismo.

Mainchemodolavitapuòriaffermarelapropriaesistenzainunambientemutevolechepuòrenderelimitantequellocheierierapremianteeviceversa?Attraversolasuacapacitàdioffrire,generazionedopogenerazione,variantidisestessa,variantiingradodiproporsicomeulteriorialternativedivitaall'ambiente.Lavalenzaadattativa,interminidisopravvivenza,diquestevariantivienesottopostaalvagliodellaSelezioneNaturale,veromotoreevolutivo,cheseleziona,traleinnumerevolivariabili,sololepiùidoneeacuivieneconsentitodisopravvivereedisvilupparsifinoaquandolevariazioniindottenell'ambientedalleleggichimico-fisicheedallastessaattivitàbiologicanonimporrannounnuovomutamento(apparechiaro,intalecontesto,l'enormeimportanza,interminievolutivi,dellariproduzionesessuale).Inquestocontinuoinseguimentolavitacambia,potendoraggiungerelivellistrutturaliefunzionalidisempremaggiorecomplessitàocomunquediequilibriorispettoallapressioneselettiva.

Ripercorrendoaritrosoquestoprocesso,seguendoneletraccenelladocumentazionefossile,nelladinamicageologicadellaTerra,nellestruttureenellafunzionalitàchecaratterizzanoleformeviventiattuali,ciaccorgiamochelavitasièmossalungolineefiletichecheleganotralorotuttigliorganismiviventiecheconvergonoinunpuntocherappresentalaprimamanifestazionedelfenomeno.Lavisioneevoluzionistica,quindi,cicostringearisalireneltempoversoformedivitasemprepiùsempliciequestociconducenecessariamenteallascoperta,almenosulpianoconcettuale,dellaprima"cellulavivente".

Tuttavia,unataleconquistaconcettualeimponediconsiderareancheunaseriediparadossidinonfacilesoluzione,chericordanounpo'quellofamosodell'uovoedellagallina.Sespingiamolosguardofinoallimitediciòchenoichiamiamovita,cioèlepiùsemplicistrutturebiologicheingradodiesprimereilfenomeno,osserviamochequestastrutturavivente(adesempiounbatterio)presentacomunqueunafunzionalitàmetabolicaegeneticamoltocomplessa,chesibasasulpossessodimolecoleorganicheessenzialimachesonoessestesseilfruttoditalefunzionalità.Zuccheri,grassi,proteine,acidinucleicisonoattualmentefabbricatisolodasistemiviventi:comesonopotuticomparireprimadeisistemiviventidicuirappresentanolastrutturaoilprodottofunzionale?Sappiamochegliorganismianimali(eterotrofi)nonsonoingradodisopravviveresenzaglialimentisintetizzatidallepiante(autotrofi);sembrerebbequindilegittimocercarel'originedellavitatraivegetaliprimitivi(algheautotrofe).Questiorganismi,tuttavia,necessitanodiunsistemadiestrazionedell'energiasolareediunsistemadiutilizzazionediquestaenergiaestremamentecomplicato,peressereconsideratonelcorredofunzionaledeiprimiviventi.Inoltre,l'elementoessenzialeataleprocessoèlaclorofilla,altroprodottodiesclusivasintesideiviventi.

Tutteleattualireazionivitalisonoregolatedaenzimi,alorovoltainformatidalDNA,asuavoltamontatodaenzimi:chièstatoilprimo?Tenendocontodituttiquestiparadossiedellavisioneevoluzionistica,neglianniTrentailbiochimicorussoAlexsandrIvanovicOparineilbiologoingleseJohnBurdonSandersonHaldaneformularonolaprimadellecosiddette"teoriechimico-biologiche",secondolequalilavitasiè

sviluppatasulnostropianetaperevoluzioneapartiredamolecolenonbiologiche.Nellaloroteoriaiduestudiosicercaronodisuperaremoltideicircoliviziosiprimaesposti.




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SecondoOparineHaldanelaTerradicirca4miliardidiannifaeramoltodiversadall'attuale.Eraunpianetaadaltocontenutoenergetico(energiaendogenaedesogena),conun'atmosferaprimitivacaratterizzatadall'assenzadiossigenoeanidridecarbonicamariccainidrogeno,metano,ammoniacaevaporeacqueo;quindifortementeriducente.Questecondizionichimico-fisicheconsentironolaformazionediunagrandequantitàdimolecoleorganicheche,accumulandosineimariprimitivi(inquantitàtaledagiustificarel'espressione"brodoprimordiale"),poteronoreagiretraloroinmododaoriginareunagrandevarietàdimolecolebiologicheimportantiperlavita.Successivamentequestemolecolesiassociarononeiprimisistemimacromolecolariingradodiesprimereunaprimitivafunzionalitàvivente,accrescimentoeautoriproduzione.

Untalescenarioconsentedisuperareilprimoepiùimportanteparadossoeriabilitare,ancheseperunbreveattimoiniziale,lateoriadellagenerazionespontaneadellavita:deicompostiorganicipoterono,inteoria,formarsiinassenzadiesseriviventi.Unataledisponibilitàdimateriaorganicaincontinuasintesiharappresentato,secondoOparineHaldane,ilciboperiprimisistemiviventiingradodiassimilarlo.Iprimiorganismifuronodunquedeglieterotrofiingradodiassumerecombustibilechimicodirettamentenelmezzoambiente.Inquestaipotesi,quindi,invecediimmaginareunsistemaviventecomplesso(autotrofo)chesfruttasemplicielementiambientali(luce,acquaeanidridecarbonica,peraltroassentenellaloroipoteticaatmosferaprimitiva)siipotizzaunsistemaviventesempliceinunmezzoambientecomplesso,giàriccodialimenti.Ècosìpossibilesuperarealtriparadossi.Infine,secondoOparineHaldane,questisistemiviventi,perquantosemplici,matuttaviacompleti,furonosottoposti,durantemilionidianni,allaSelezioneNaturalechenedeterminòildestinoavendocomeunicaalternativaquelladi"essereononessere".All'iniziol'ipotesidiOparin-Haldanenonvenneunanimementeaccettatadalmondoscientificoperlamancanzadiadeguateprovesperimentalichelaconvalidasseropienamente.

NeglianniCinquanta,HaroldC.Urey,premioNobelperlaChimicanel1934,eStanleyMiller,unsuoallievo,riuscironoadottenerealcuneconfermesperimentali.AqueltempoUreyerainteressatoalledifferentiteorieriguardantil'originedelSistemasolaree,inparticolare,allacomposizionechimicadell'atmosferacheavrebbedovutocircondarelaTerraprimitiva.UreyarrivòallastessaconclusionediOparin,cioècheilprimitivoinvolucrogassosodellaTerradovesseessereriducente.StanleyMiller,nel1953,ebbel'ideadiricostruireinlaboratorioquestepresuntecondizioniambientali:poseinunpalloneuna

misceladigassimileaquellaipotizzataperlaTerraprimitiva,compostadaidrogeno(H2),metano(CH4),ammoniaca(NH3)evapored'acqua(H2O),sottoposelastessaacontinuescaricheelettriche(persimulareifulmini)e,dopounasettimana,analizzòiprodottidisintesi(Fig.3).Nonsenzasorpresasiaccorsechesieranoformatinumerosissimicompostiorganici,traiqualiamminoacidi.DopoMiller,moltiautorihannocompiutoesperimentianaloghi,variandodivoltainvoltasialacomposizionedeigaschelasorgentedienergia(calore,radiazioniultraviolette,ecc.).Irisultatiottenutidimostranochequasituttiimonomeribiologicipossonoessereprodottiinmodoabiologico,inassenzadiossigeno,partendodamaterialeinorganico.

Figura3.L'apparecchiaturaideatadaMillerpersimularelecondizioniprebiotichesullaTerra.

Tuttavia,esistonodeiproblemi.NontuttelemolecolesintetizzatedaMillersonopresentineiviventi(adesempio,deitreamminoacididelgruppodell'alaninaottenuti,solounoèeffettivamentepresentenegliorganismi)enontuttiicompostiutiliallavitapossonoesserefacilmentesintetizzatiutilizzandoqueiprotocolli(unesempiofratuttièrappresentatodallasintesiendoergonicadell'ATP).Unaltrogrossoproblemaèrappresentatodall'uniformitàchiralicadeicompostiorganicidioriginebiologica.TramitegliesperimentidiMillersiottengonomisceleracemichedeipossibilienantiomeri,masullaTerraesistono,adesempio,soloL-amminoacidieD-zuccheri.Nessunoriesceaspiegareperché.

Qualcunoipotizzaunapossibileorigineextraterrestredimolticompostiorganici.Lalorouniformitàracemicasispiegherebbesullabasedipresuntiprocessidimolecular-tunnellingabassatemperaturaoadistruzionedifferenziatadeglienantiomeri;pergliamminoacididestrogiri,sièipotizzata,adesempio,unadistruzioneselettivaoperatadaradiazioniultraviolettepolarizzatecircolarmente,forseprodottedastelledineutroni.Taliipotesisono,inparte,sostenutedallascopertachecertiamminoacididiorigineextraterrestrerinvenutisulmeteoritediMurchinson(Australia)hannonaturaracemica.UnultimopuntodaconsiderareèchelesintesidiMillernecessitanodiunafortepresenzadiCH4eNH3.Tuttavia,oggisonoinmoltiasostenerechel'atmosferaprimitivaabbiapersomoltovelocementeilsuocarattereriducenteechefossecompostaprevalentementedaCO2.Untalescenariorendepraticamenteimpossibilemoltedellesintesimillerianeequindirendelecital'ipotesichel'originedimolticompostisiadaricercarsinell'apportoesogeno.

Indipendentementedallanaturaendogenaoesogenadeicompostiorganicidibase(scartandol'ipotesichelavitasiagiuntasullaTerragiàsottoformadiorganismovivente),bisognanecessariamenteipotizzareunafaseprebiologicain

cuilemolecoleorganichesisonoorganizzateacostituiredeipreviventi.Aquestopropositosonostateformulatediverseteorie.

Insensostorico,leprimesonoquellecosiddettefenotipiche,chetendonoaconsiderarelaformazionedellestrutturecellulari(involucrocellulare,proteine,ecc.)precedentilaformazionedell'informazionegenetica.LapiùfamosadiquesteteoriesideveadOparinche,nelformularla,utilizzolesueosservazionisuicoacervati.Soluzioniacquosedidueopiùpolimeri(proteici,glucidiciolipidici)segreganoduefasi,unariccaeunapoveradicolloidi.Laprimatendeadorganizzarsiinminuscolegocciolinedettecoacervati.

Fig.4.IcoacervatidiOparin.

Ilfenomenodellacoacervazioneeranotodamoltotempo;meritodiOparinfuquellodimostrarlosottounanuovaluce,nelcontestodelleipotesisull'originedellavita.Icoacervati(Fig.4)mostranointeressantiproprietàsiastrutturalichefunzionali.Sonodelimitatidaunapseudomembranabistratificata,sonoingradodiattirarecertemacromolecole(polipeptidiepolinucleotidi)edirespingernealtre,dimostrano,inoltre,unrudimentalemetabolismo.Sesiaggiungeglucosio-1-fosfatonelmezzoambientediuncoacervato,contenentel'enzimafosforilasi,essoassimileràilcompostoproducendoamido,mentreilfosfatoverràespulsoesternamente.Seoltreallafosforilasiepresenteancheun'amilasi,ilcoacervatosaràingradononsolodiprodurreamido,maanchediidrolizzarloinsegmentidimaltosio(dimero)iqualisarannopoiespulsiinsiemealfosfatoresiduo.Altriesperimentidimostranochealcunicoacervati,dotatidiopportunocorredobiochimico,sonoingradodieffettuareunaspeciedifotosintesiprimitivaepossonosubireunaspeciediselezionenaturale(adesempio,icoacervatiingradodioperareunmetabolismoprimitivosonopiùstabilidiquelliprividitalecapacità).

Analoghestrutturepseudocellularifuronoottenute,allafinedeglianniSettanta,daSidneyFox.Convinto,alcontrariodiOparin,chelaprobabilitàdiformazionedimacromolecolefossemaggioresullaterrafermacheinacqua,Foxpartìdamiscelediamminoacidi,chesipresupponevafosseropresentinelbrodoprimordiale,leposesupezzidilavariscaldatiatemperaturevariabilitrai75ei175°Ceottennedeiproteinoidi,lunghecatenecontenentiparecchiecentinaiadiamminoacidi.Immaginandoun'azionedidilavamentodellelaveprimordialisucuisifosseroformatideiproteinoidi,Foxcontinuòlasuasperimentazioneponendoglistessiinacqua.Ottenneinquestomododellemicrosferechechiamòprotocellule(Fig.5).LemicrosferediFoxsonodotatediproprietàmoltointeressanti:sonodelimitatedaunamembranasemipermeabile,operanomovimenti,sonodotatedicapacitàenzimatiche(sonoingrado,adesempio,diidrolizzarel'ATPesonocapacidiassimilarealtriproteinoidi),riesconoaprodurreallorointernoaltresferulechevengonosuccessivamenteespulse,sonoingradodiunirsitraloroedidividersi.Indefinitiva,entrambeleipotesisibasanosulconvincimentoche,aifinidellosviluppodellavita,lanascitadell'individualitàabbiarappresentatolaprimagrandeconquista.

Fig.5.Lemicrosfere(protocellule)diFox.

Altriautoripensanocheunprimitivometabolismoavrebbepotutoinnescarsiancheinstrutturenondelimitatedamembrane,masusubstratimineraliingradodiadsorbireeconcentraremolecoleorganiche.Questeipotesicostituisconolabasedellecosiddetteteorieminerali.Barnalhaosservatochealcuneargillechesidepositanosuifondaliadsorbonoproteineedacidinucleicimegliodeicoacervati;Cairns-Smithhaaddiritturasuggeritocheiprimi"sistemidiinformazionegenetica"fosserorappresentatidaargilleautoreplicanti.Ladistribuzionedellecaricheelettrichesuunostratoavrebbeindottolaformazionediunostratocomplementareformatodaparticelleaventicaricaelettricaugualeedopposta.Talesistemaavrebbesuccessivamenteadsorbitocomposticarboniosiedatoinizioall'evoluzionebiologica.

Alcuniricercatoripensanochelavitanonavrebbeavutoiniziodastruttureprotocellulari,madaprimitiviammassidimaterialegenetico.Successivamente,questi"geninudi"avrebberocostruitounastrutturaprotocellularediprotezionedelgenomaedisintesidialtrogenoma.;inpraticalecellulealtrononsarebberoche"macchinecreatedalDNAperprodurrealtroDNA".Questeteoriegenotipiche,tuttavia,nongodonodigrossocredito,essendotroppodispendiosal'ipotesidiunaformazioneprimitivadiDNA,unamacromolecolalacuisintesiefunzionalitàètroppolegataallapresenzadiproteine.

Unodeirisultatipiùimportanticonseguitidallascienzanellasoluzionedelproblemadell'originedellavitasideveaT.R.Cech,premioNobelperlaChimicanel1989,che,neiprimianniOttanta,hadimostratochemolecolediRNApossonoavereattivitàenzimatica(promuovendoreazionichimicheautonome,senzal'interventodienzimiproteici)esonoingradodicompiereunaprimitivaautoreplicazioneusandocomestampounasubunitàinterna.Talifunzionienzimatiche,peraltroosservabilinell'RNAdiorganismiviventiattuali,potrebberoesserelatestimonianzadiunprimitivo"mondoaRNA",nelqualetuttigliorganismidovevanoesserecostituitisolodaRNAedalqualesisarebbesolosuccessivamenteevolutoilmondoattualecostituitodaDNAeproteine,confunzionirispettivamentegeneticheemetaboliche.Comesisarebbeoriginatol'ipotizzato"mondoaRNA"diCech?IlchimicotedescoEigenesuccessivamenteOrgelhannodimostratoche,inpresenzadienzimiproteici,misceledinucleotidipossonodarluogoaRNAcapacedireplicarsi(riprodursi),dimutareedicompetereconaltremolecolediRNA.Secondoquestiautori,lavitasullaTerrapotrebbeaveravutoorigineproprioapartiredapopolazionidimolecolediRNA-simili("quasispecie")icuiindividui,capacidicompetizione,sisarebberoassociaticonpopolazioniproteiche,dapprimastabilendoconesseunrapportoparassitario,quindiunequilibriostabile:l'attuale"divisionedellavoro"traacidinucleicieproteine!

L'ipotesidiunmondoancestraleaRNA,sebbenemoltoaffascinante,sollevadubbisiaditipochimicoche

probabilistico.Perquantoriguardaiprimi,nessunricercatoreèriuscitosinoraaproporreunmodellosecondoilqualeneglioceanienell'atmosferaprimitivasisianopotuteformareadeguatequantitàdiRNA,essendolasintesidiquestocompostotroppolaboriosaedincerta.IlsecondodubbioriguardalapossibilitàchemolecolediRNAingradodireplicarsiedicompeterepossanoesserestateabbastanzastabili,neltempo,daevolversisuccessivamentein"organismi"piùcomplessi.L'RNAcomeprecursoredeiviventi,quindi,rimanealmomentoun'ipotesimoltodispendiosa.

Così,seèpurverochesemprepiùstudiosipensanocheilDNA,comedepositariodell'informazionegenetica,siastatoprecedutodall'RNA,èforsealtrettantoplausibilecheforseneppurequest'ultimoharappresentatolaprimamolecolainformativaautoreplicantecomparsasullaTerra.Questaprimitivamolecolaconsignificatogenicoavrebbedovutopossederetrecapacitàedavereadisposizioneunambientechimicofavorevole:1)capacitàdicontenereinformazionegenetica;2)capacitàdiindirizzarelapropriasintesiapartiredaelementidibase(monomeri);3)capacitàdiesserepiùstabiledelsuotassodidecomposizione.Tuttoquestoavendolargadisponibilitàdimonomerinelmezzoambiente.SeimmaginiamounmondoprimordialeRNA-simile,considerandoleprerogativeelenecessitàprimaesposte,dobbiamonecessariamentepensare,comehafattoJoyce,chelanascitadell'autoreplicazionesiastataprecedutadaun'evoluzionechimicachehaprodottoprofondealterazionichimicheambientali,ilchepuòaverconsentitolanascitadiunamolecolanonRNA-simileingradodifavorirelasintesidiunasostanzaRNA-simile.Inquestafasepotrebberoaversvoltounruolomoltoimportantegli"organismi"argilla,grazieallelorocapacitàdisiadiconcentrazionedellesostanzechecatalitiche.Èprobabile,tuttavia,chetalesostanzaRNA-similefossestrutturalmentemenoesigente,nelprocessodisintesi,rispettoalcomplessoedispendiosochimismodell'attualeRNA.

Infine,èperfettamentelecitopensarecheilmondoprimordialeabbiavistolanascitacontemporaneaeindipendentedisistemibiologiciditipostrutturale(corpicellulari)edisistemigenetici"nudi"(protogenomi),ancheseoggiessiappaionoperfettamenteintegratiall'internodellacellula.Atalepropositoèstatoosservatochel'eventualeunionetrasistemidimembranaesistemigeneticiavrebbeespressounelevatovaloreadattativopotendo,quindi,esserefavoritadallaselezionenaturale.

Glossario



Introduzione









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Acidinucleici.Molecolegigantichefungonodasupportoperl'informazionegenetica.

Amminoacidi.Molecoledibasedelleproteine.

ATP.Adenosintrifosfato;l'unicamolecolaenergeticautilizzabiledagliorganismiviventineiprocessivitali;lasuaformascaricaèrappresentatadall'ADP,adenosindifosfato.Lafotosintesiclorofilliana,lafermentazionecellulareelarespirazionecellulareconsentonodiricaricare,invariamisura,molecolediADPritrasformandolenellaformaenergeticamenteattivadiATP.

Autotrofo.Organismoingradodisintetizzareiproprialimentiinmodoautonomoapartiredacompostinonorganici.Sicontrapponeadeterotrofo,organismononingradodicompieretalesintesiequindicostrettoanutrirsidialimentigiàsintetizzati.

BasidelDNA.Adenina,citosina,guaninaetimina.Compostichimicielementarilacuisequenzialitàèallabasedelcodicegenetico;gruppiditrebasispecificanounamminoacido.L'unionediunabaseconunozuccheroedunatomodifosfatorappresentaunnucleotide,elementodibasedegliacidinucleici.Nell'RNA(vedioltre)latiminaèsostituitadall'uracile.

Cloroplasto.Organulocellulareesclusivodegliorganismivegetali;alsuointernoavvienelafotosintesiclorofilliana,processocheconsentedisintetizzareglucosioutilizzandoenergiasolare,anidridecarbonicaeacqua.

Cordati.Organismianimalipluricellulariprovvistipermanentementeotransitoriamentediunorganoassiledorsaledisostegnodettocordaonotocorsa.Visiannoverano,traglialtri,ivertebrati.

Crossing-over.Scambiodimaterialegeneticotracromosomiomologhinelcorsodellameiosi.

DNA.Acidodesossiribonucleico;acidonucleicoformatodaundoppiofilamentoavvoltoaspiralesucuièscrittal'informazionegeneticacomplessiva(genoma)dellacellula.

Enzima.Proteineingradodicatalizzareunareazionechimicametabolica.

Eucariote.OrganismodotatodinucleocellularecontenenteilDNA;sicontapponeaprocariote,organismoprivodinucleocellulareeconDNAdispersonelcitoplasma.

Glicolisi.Reazionechimicanelcorsodellaqualeilglucosio,zuccheroaseiatomidicarbonio,vienespezzatoindueframmentiatreatomidicarbonio6,unareazioneche

avvieneinassenzadiossigenoedèanalogaallafermentazione.

Gametiocellulegerminali.Cellulespecializzatecherendonopossibilelafecondazioneincrociataequindilariproduzione.

Metabolismo.L'insiemedelleattivitàenergeticheefunzionalicheavvengononellacellulaoinunorganismopluricellulare.

Mitocondri.Organulicellulariall'internodeiqualiavvienelarespirazionecellulare,nelcorsodellaqualevieneprodottaenergia(ATP)attraversolacombustionedelglucosio,inpresenzadiossigeno,chevieneridottoadanidridecarbonicaedacqua.

Mitosi.Processodidivisionecellularecheconsentelaformazionediduecellulefiglieapartiredaunasingolacellulamadre;quandolamitosiavvieneinunorganismounicellularecoincideconlariproduzione.

Meiosi.L'insiemedeifenomenicheinteressanoilnucleonelcorsodellaformazionedicellule(comeigameti)contenentiuncorredogeneticopariallametàdiquellodellacelluladipartenza.

RNA.Acidoribonucleico;èunacidonucleicoafilamentosingolochevieneimpiegatoneiprocessidisintesidelleproteine.Neesistonovaritipi,traipiùimportantil'RNAmessaggero(mRNA),chetrasferiscel'informazionegeneticadalDNAagliorganulicellularideputatiallasintesidelleproteine(ribosomi)el'RNAditrasferimento(tRNA)cheveicola,versoglistessiorganuli,gliamminoacidinecessari.

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Primetappedell'evoluzionedeiviventi/EvoluzionebiologicadeiviventiAntonioBonfitto

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Primetappedell'evoluzionedeiviventi

Evoluzionebiologicadeiviventi

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E.Balletto,Zoologiaevolutiva,Zanichelli,Bologna,1995

M.Rizzotti,Primetappedell'evoluzionecellulare:dallacomparsadellaprimacellulaagliorganismiditipomoderno,Zanichelli,Bologna,1995.

http://crisceb.unina2.it/didattica/BIOMOLECOLE/introduz.htm



EvoluzionebiologicadeiviventiAntonioBonfitto

IlPrecambriano:dallaformazionedellaTerrafinoa590milionidiannifa

Paleozoico:da590a248milionidiannifa

MesozoicooEraSecondaria:da225a65milionidiannifa

Cenozoico:gliultimi65milionidianni

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Esistonoprovedocumentalichedimostranocomel'atmosferaincuisisvolseroleprimetappedell'evoluzionedegliorganismiviventifosseriducenteo,quantomeno,nonossidante,concondizionivirtualmenteanossiche.Proveinduttive,derivantidall'analisidell'attualebiochimicadeiviventi,mostrano,altresì,chemoltedelleviemetabolichecheconduconoallasintesidicompostiadelevatocontenutodicarbonio(adesempio,gliacidigrassi)rappresentanoilrisultatofinalediunlungoprocessoilcuilesingoletappeossidativeconfiguranoaltrettanteaggiunte,caratteristichediorganismimanmanopiùevoluti,resepossibilidaunacrescentedisponibilitàambientalediossigeno.

OggisicredechelavitasullaTerrasiacomparsamoltoprecocemente,pocopiùdi500milionidiannidopolasuaformazione,quindicirca4miliardidiannifa.Indipendentementedalledifferentiscuoledipensierocircal'originedellavita,èopinionepressochécomunecheiprimiorganismiviventi(protobionti)fosseromicroscopici,unicellulari,procarioti,similiagliattualibatterisferoidali(cocchi)(Fig.1).Probabilmenteformavanounsottilestratoviventesulfondodibassimariepicontinentali,dovesinutrivanodisostanzaorganicacontinuamenteformatapervianonbiologicaedirettamentedisponibilenelmezzoambiente.Sitrattava,quindi,diorganismieterotrofiche,vivendoincondizionipressochéanossiche,eranocostrettiaoperarelafermentazionedellesostanzeassorbitedall'ambiente.Tuttavia,unprocessoevolutivobasatosuunorganismoeterotrofoèmessoincrisinelmomentoincuiiltassodiproduzionedellesostanzeorganicheèsuperatodaltassodiutilizzazionedellestesse.Èmoltoprobabilechemoltopresto,insenoaquestecomunitàeterotrofe,siasortaunastirpediorganismiautotrofi.Questo,probabilmente,avvennenelmomentoincuilacompetitivitànell'approccioallerisorse,ormaiprossimeall'esaurimento,resepremiante,interminiadattativi,lacapacitàdisintetizzareautonomamentelesostanzenutritivenecessarieallasopravvivenza.Sisviluppò,quindi,lafotosintesi,lapiùplausibiledelleformediautotrofismo.Leprimeformeautotrofeoperavano,tuttavia,unafotosintesianaerobia,analogaaquellaoperatadacertibatteriattuali.Nelcorsodiquestotipodifotosintesinonvieneprodottoossigenocomeelementosecondariodellareazione(vieneliberatozolfoedacqua)edessanonpuòavvenireinsuapresenza.AlcunerocceprovenientidallaformazionediIsua(Groenlandia),datatecirca3,8miliardidianni,mostranogiàunrapportotragliisotopistabilidelCarboniocheèindicedellapresenzadiorganismifotosintetizzanti.Pocopiùtardi,daquestibatterianaerobisioriginaronoiprimiorganismiingradodioperareunafotosintesiaerobia(inpraticaiprecursorideimoderniCianobatteri).L'ossigenoliberatonelcorsodi

questanuovafotosintesicostrinseifotosintetizzantianaerobiasottrarsiall'azionetossicadelgas,rifugiandosineglistratipiùprofondidellacolonnad'acqua,doveancorapermanevanoquellecondizionidianossiaindispensabilialleloromodalitàfotosintetizzanti.Gliaerobiscalzarono,quindi,glianaerobidalverticediquesteprimecomunità,relegandoliinambitimarginali,scarsamenteilluminati,lontanidallalucenecessariaalprocessofotosintetico.Ancoroggimoltibatterifotosintetizzantianaerobioccupanoquestihabitat.

Figura1.Microfossilidiprocariotisferoidaliprovenienti(inalto)dallaformazionediFigTree(Swaziland,SudAfrica)(3,1miliardidianni)e(inbasso)dallaformazionediWitwatersband(Transvaal,SudAfrica)(2,7miliardidianni).

Cosasappiamodiquesteprimeformedivita?Moltopoco.Ifossiliprecambrianisonorari,pococonosciutie,addirittura,restanodubbisullanaturabiologicadimoltedellestruttureinterpretatecomefossili.Tralepiùanticheformedivitadescritte(peralcunedellequalisussistono,appunto,dubbi),visonoalcuneformefilamentoseosferoidaliinterpretatecomebattericheeprovenientidallaformazionediPilbara(AustraliaNordoccidentale),edallaformazionediFig-Tree(Swaziland,SudAfrica),risalentiacirca3,5-3,1miliardidiannifa.Menoproblematicarisultal'interpretazionedellecosiddetestromatoliti,fossilicostituitidalaminediselceimpilatechesembrasianoilrisultatodelmetabolismodicoloniebatterichefilamentose(Fig.2).Ancoroggitalistrutturesiformanoinalcunezonedell'Australia(SharkBay)comerisultatodell'azionebiologicadicoloniediCianobatterifotosintetizzanti.StromatolitifossilisonopresentisianellaformazionediPilbaracheinquelladiFig-Tree.Studicompiutisuisedimentichelecontengonohannoevidenziatolapresenzadicatenecarboniosederivatedallademolizionedisostanzecomponentileclorofille.Quindi,colonieformatedaorganismifotosintetizzantiaerobihannoiniziatoaimmettereossigenonell'ambientegiàapartiredacirca3miliardidiannifa.Tuttavia,permoltotempo,lapresenzanell'ambientedimineraliingradodireagireconl'ossigeno,comeilferro,impedìcheessopotesseaccumularsinell'atmosfera.Significativealriguardosonoleimponentiformazionidimineralisedimentarilacuigenesièstrettamentelegataallaconcentrazionediossigenonell'ambiente.Unesempiointalsensoèrappresentatodall'Uraninite(UO2)chesirinvieneindepositiformatisineilettidialcunicorsid'acquaprecambriani.Inpresenzadiossigenoquestomineralesiossidafacilmente(inU3O8)sciogliendosi.Èstatodimostratochequestidepositinonavrebberopotutoformarsiinpresenzadiunaconcentrazionediossigenosuperioreall'1%.Idepositidiuraninitesonopiùvecchidi2miliardidiannienonsirinvengonomaiindepositipiùrecenti.Questopotrebbeindicareche,apartiredaquelladata,laconcentrazionediossigenonell'ambientesiastatataledaimpedirelaformazionedeidepositidi

uraninite.Circa2miliardidiannifacompaionoaltreformazionimineralimoltointeressanti,sitrattadiformazioniferrosenotecomeredbeds(lettirossi),formatidaossididiferrotrivalente(limoniteFe2O3),chenoncompaionoinsequenzepiùantiche.Primadellascopertadellepiùantichestromatolitisipensavacheiredbedsfosseroilrisultatodiunprocessoossidativononbiologicodelferrobivalente.Oggisiritiene,alcontrario,chel'ossigenoutilizzatosiadioriginebiologica.Laprovamineralogicapiùconvincente,tuttavia,sembraessererappresentatadaunaltrotipodidepositodiferro:leformazioniabande.Sitrattadimiliardiditonnellatediossididiferro,inclusiinunamatricericcadisilice,chesisonodepositatiinuntempodipochecentinaiadimilionidianni,acominciaredapocoprimadiduemiliardidiannifa.Solounalargadisponibilitàdiossigenoambientaleavrebbepotutoconsentirequestadeposizione.Possiamoimmaginarecheneglioceaniprimitivi,anossici,ilferroesistesseinformabivalente(ferroso),quindisolubile,discioltoinacquadimare.Lacomparsadellafotosintesiaerobiaresedisponibileossigenobiologico,lacuiconcentrazioneiniziòadaumentaresoprattuttoneglistratipiùsuperficialidellacolonnad'acqua.Quicominciòareagireconilferrodisciolto,trasformandoloinferrotrivalente(ferrico)edandoorigineaossididiferroidratiinsolubilicheprecipitando,siaccumularonoassiemeallasilicesulfondodeglioceani.Soloquandotuttoilferrononossidato,omaterialianaloghi,fuprecipitato,laconcentrazionedell'ossigenoatmosfericocominciòasalire.

Figura2.SezionediStromatolitee(adestra)fossiledimicroalgafilamentosarisalentea2miliardidiannifa,provenientedallaformazionediGunflint(Ontario,Canada).

ICianobatterifotosintetizzanti,tuttavia,noneranoisolimicrorganismipresentineimariprimitivi;altri,eforsepiùnumerosi,procariotioperavanovaritipidichemiosintesi,tracuilafissazionedell'azoto,edèforsetraquestichevannoricercatiiprimiorganismiaerobi.Larespirazioneaerobiafupossibilesoloquandolaconcentrazionediossigenoatmosfericoraggiunseilcosiddetto"puntodiPasteur",paria1/100dell'attualeconcentrazione,unlivellocheèsufficientearenderevantaggiosalavitaaerobia.Talesogliafuraggiuntaprobabilmenteapartireda2,8miliardidiannifa;percircaunmiliardodianni,tuttavia,laconcentrazionediO2simantennemoltobassa(1-2%dell'attuale)perl'azioneditamponamentooperatadaimineraliferrosi.Conl'esaurirsidelferrodisciolto,forse1,9-1,8miliardidiannifa,unagrandequantitàdiossigenosiresedisponibileequestodeterminò,probabilmente,l'estinzionedinumeroseformedivitaanaerobieperlequalieratossico.Alcunetrovaronorifugioinambientimarginalioestremichesimantengonocostantementeanossici,altrisvilupparonoformediresistenza,comeleeterocisti,strutturebiologicheinterpretateintalsenso,moltocomunitraglistratidiquelperiodo,stratichetestimonianoanchelagrandediffusioneraggiunta,aquell'epoca,siadaglistromatolitichedaiprocariotiingenerale.Inquestoperiodosisvilupparonoancheiprimieucarioti,gliacritarchi,organismiplantonici,

eterotrofi,similiagliattualidinoflagellati.Lasemprepiùmassicciapresenzadiorganismifotosintetizzantienodeterminòunsensibilecalodell'anidridecarbonicaeunaumentodell'ossigenotaledaconsentirelaformazionediunostratodiozonoche,frapponendosialleletaliradiazioniultraviolette,favorìulteriormentelosviluppodellavita.

CircaunmiliardodiannifasiverificòquellochepuòessereconsideratounodeglieventipiùimportantinellastoriadellaVitasullaTerra:lacomparsadellarespirazionecellulareche,operandolacombustionecompletadellesostanzenutritizie,consenteunaproduzionedienergiabiologica18voltesuperioreaquellaottenibileconlasempliceglicolisianaerobia.Larespirazionecellulareconsentìdichiudereilciclodelcarbonio.

Iprocessidirespirazionecellulareavvengononeimitocondri.Questiorganulicellularisonodotatidiunpropriocorredogenetico(analogamenteaicloroplasti).Questoparticolareaspettohaconsentitodiformularelacosiddettateoriaendosimbionticaperspiegarel'originedellecelluleeucariote.Inpratica,siimmaginachel'attualefunzionalitàcellularesiailfruttodiapposizionisuccessivedistrutturebiologiche,ingradodioperaresingolefunzionichesisonointegrateinunicastruttura,lacellulaappunto,ricevendonevantaggioreciproco.Nelcasoparticolaredeimitocondri,siimmaginacheunprimitivoprocariote,ingradodifagocitaregrandiquantitàdinutrimento,siaentratoinassociazionesimbionticacon"protomitocondri"libericapacidioperarelarespirazionecellulare,maconscarsecapacitànutrizionali.Èevidentechel'associazionetraquesteduetipologiediorganismièestremamentevantaggiosainterminidibilancioenergetico:ilprocariotepotevaforniregrandiquantitàdinutrimentoalprotomitocondriolecuicapacitàconsentivanoalprimounmigliorerecuperoenergetico.Numerosidatimolecolarisembranoconfermarelabontàdellateoriaendosimbiontica,ancheperaltrestrutture(adesempioicloroplasti);tral'altro,formediassociazionetraorganismidifferentisonoosservabilianchealgiornod'oggi:unclassicoesempioècostituitodailichenicherisultanodall'associazionediunfungoconunaalga.

Comunque,l'acquisizionedellarespirazionecellulare,conlesueimplicazioniinterminidisfruttamentodellerisorse,determinòanchelacomparsadiunanuovafenomenologiaambientale:lapredazione.Dalpuntodivistaenergetico,lapredazionerappresentaunasortadiinvestimento.Unorganismononingradodisfruttarecompletamentelerisorsedisponibili(organismofermentatore)nontrovavantaggiosooperareformedipredazionechecomportinolaricercaattivadelcibo,perchérischiadispenderepiùenergiadiquellaricavabiledallapreda.Alcontrario,perunorganismoingradodiutilizzarealmegliol'energiacontenutainqualsiasipreda,l'attivitàdipredazionedivieneselettivamentevantaggiosa.Larespirazionecellulareindusse,quindi,anchecambiamentineirapportiesistentitraquestiprimimicrorganismi.Dallepacifichecomunitàdiprocarioti,privediqualsiasiformadicompetizionediretta,sipassòaformediinterazioneecompetizionediretta,interindividuali.Mentretraiprocariotieterotrofifermentatorilacompetitivitànell'approccioallarisorsaeraessenzialmenteoperatatramiteunmiglioramentodiunafunzionalitàstrutturaleemetabolicacheconsentissedinutrirsiilpiùpossibilediunalimentoabbondanteeincontinuasintesi(senzaalcuntimoredipascolareaccantoadunaltrofermentatore),lacomparsadellarespirazionecellulareresetuttipotenzialiprede.Inpratica,nacque"l'omicidio"ascopoalimentareesidefinironoirapportitraproduttoriprimarieconsumatori,traautotrofiedeterotrofi,trapredatorieprede.

L'ultimagrandeconquistadellaVitafusicuramentel'acquisizionedellapluricellularità.Essafufavoritapergliindubbivantaggichegarantivainterminidistabilità

strutturale(aumentodelledimensioni,aumentodellecapacitàrigenerative,allungamentodellavita)edifunzionalità(divisionedellavorotradifferenticeppicellulaririunitiinorganietessuti).Questacondizionefusicuramenteacquisitaattornoa800milionidiannifa,periododacuicipervengonomicrofossilidiorganismiinterpretaticomeanimali(Chitinozoi),rinvenutiinalcunisitiamericani,dell'ArabiaedellaGroenlandia.Conquest'ultimaacquisizionesicompletailcorredofenomenologicodellaVitaedessapotràesprimere,nelleeresuccessive,unapotenzialitàbenlungidall'essere,adoggi,interamentecompresa.

Figura3.FaunaprecambrianadiEdiacara.

Ipiùantichirestidiorganismisicuramenteappartenentiadanimalipluricellularifuronoscoperti,nel1947,nellaFormazionediEdiacara(Australiameridionale),risalentealtardoPrecambrianoedatatatrai670ei580milionidiannifa.LafaunadiEdiacara(Fig.3)èrappresentatadaorganismidalcorpomolle,prividipartidure,tracuidominanoformemedusoidi,pennatulateealtrechesonoconsiderateantenatedigruppiqualicelenterati,anellidi,artropodiedechinodermi.Puressendorappresentatadaqualchedecinadispecie,lafaunadiEdiacaradenunciaunacomplessitàstrutturaletaledafarsupporreun'originepiùantica,dicuinonesistedocumentazione.Infatti,traquestiprimitiviorganismimancanorappresentantidiqueigruppianimalichecaratterizzerannofortementelefaunemarinedellasuccessivaeraPaleozoica,comemolluschiebrachiopodi;inoltre,anchetragliartropodi,opresuntitali,rinvenutiadEdiacaranessunoèunchiaroantenatodeitrilobiti,unodeigruppiguidadelPaleozoico.Alcunipaleontologi,tuttavia,ritengonoscorrettoiltentativodiclassificarelafaunadiEdiacarausandogruppianimaliattuali.Alcontrario,essiandrebberoconsideraticomeunaseriedi"tentativievolutivi",ingranpartefalliti,didefinirearchitettureanimalipoiabbandonatenelcorsodell’evoluzione.Soloalcunidiquestiesperimentisarebberostatiingradodioriginareulteriorirappresentanti,mentrelamaggiorpartediessisarebberofinitiinvicoliciechidell'evoluzione.Inognimodo,questefaune(rinvenuteinseguitoancheinAfrica,InghilteraenellaSiberiasettentrionale)documentanocomunquel'esistenza,neltardoPrecambriano,diorganismipluricellularibenstrutturatie,probabilmente,piùdifferenziati,comenumerodispecie,diquantoladocumentazionefossilelascisupporre.








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L'eraPaleozoicaèdivisain6periodi:Cambriano(590-505milionidiannifa),Ordoviciano(505-438milionidiannifa),Siluriano(438-408milionidiannifa),Devoniano(408-360milionidiannifa),Carbonifero(360-286milionidiannifa)eilPermiano(286-248milionidiannifa).L'iniziodell'eradella"Vitaantica"oPaleozoicosifacoincidereconlacomparsadeiprimiorganismidotatidiguscidurioscheletriNonsonostatiancorachiaritideltuttoimotivichehannodeterminato,all'iniziodelCambriano,l'acquisizione,dapartedegliorganismi,distrutturescheletriche.Quelcheècertoèchelamaggiorpartedeigruppiviventiinquelperiodoneeranoprovvisti.AlcuniAutorihannosuggeritocheneimariprecambrianinonvifossesufficientecalcioinsoluzioneochevifossetroppaanidridecarbonicaadaumentarnelasolubilità,perconsentireunadeguatosviluppodelmetabolismodelcalcionegliorganismi:unaprovasarebbefornitadalfattocheleconchigliedialcunigruppi,comeibrachiopodi,hannoaumentatoilpropriocontenutoincalcionelcorsodituttoilCambriano,manmanoaumentavalasuadisponibilità.Questaipotesisembratuttaviasmentitadallapresenzadistromatoliti.Piùadeguataapparel'ipotesicheindividuaneivantaggimorfo-meccanici,legatialpossessodiunoscheletro,ladeterminantefavorevoleadunasuaselezione;loscheletroavrebbeconsentitounamaggiorecapacitàdimovimentoe,quindi,piùadeguateformedidifesaodiattacco.Ciòsembraessereconfermatodalfattocheanimalidiquelperiodopossedevanogiàorganidisensobensviluppati,comeantenneeocchicomposti,deltuttosimiliaquellipossedutidagliattualiartropodi.

DuranteilCambriano,siebbeunapoderosatrasformazionedellasuperficiedelglobo.Inizialmentetutteleterreemerseeranoriuniteinununicosupercontinente,ilPangeaI.Nelcorsodelperiodoquestosiframmentò,dandoorigineaquattromassecontinentaliche,acausadiunabbassamentodellorolivello,vennerosuccessivamenteinvasedalleacque.Siformaronocosìvastimaricaldiditipotropicale,profondimenodi150m.

Daquestimariciprovengonorestifossilidiorganismiesclusivamentemarini,chedocumentanounodeipiùgrandimutamentimaiavvenutidellastoriadeglianimali:lacomparsadiunenormenumerodigruppi,ognunodeiqualicaratterizzatodaundifferenteediversificatopianoarchitettonico.Questaradiazioneadattativaènotacomeesplosionecambriana.Anchesemoltedelleformerinvenuteappaionoancoracomeesperimentievolutivisenzafuturo,ècertochelacomparsadiunoscheletroduro-chehaindubbiamentedeterminatounaumentodelladocumentazionefossile,percuisecondoalcuniquestaesplosionesarebbepiùapparentechereale-permettendolosviluppodidiversitipidilocomozione,haconsentitoaquesti

animalidioccuparenicchieecologichenonsfruttate.Indicativointalsensoèildatoriferitoalmondovegetalechenonsembraesprimerelastessatendenzaalpuntoche,neiprimitrentamilionidiannidelCambriano,lepiantecontinuanoadessererappresentatesolodapocheformealgali.

Figura4.Trilobite,Archeociatoe(inbasso)ilbarachiopodeLingula,verofossilevivente.

Ipiùcaratteristicirappresentantidellafaunacambrianafuronoitrilobiti(Fig.4inaltoasinistra),gliarcheociatieibrachiopodi(Fig.4inaltoadestraeinbasso).Dotatidiuncorpotripartito(dacuiilnome),itrilobitirappresentanoilgruppoguidadelPaleozoico;eranodotatidiocchicompostiesepperodiversificarsiinnumerosissimeformecondimensionivariabilidapochissimicentimetrifinoamezzometro.Ibrachiopodi,organismidotatidiunguscioformatodaduevalve,prosperaronopertuttoilPaleozoico;lepocheformeattualmentesopravvissute,comelaLingula(Fig.4inbasso),unveroepropriofossileapparentementeimmutatodacirca450milionidianni,sonodaconsiderarsirelitte.Gliarcheociati,animalisimiliaspugneoacoralli,furonoipiùimportanticostruttoridiscoglieredeicaldimaricambrianiesiestinseroallafinedelperiodo.Tuttavia,ilgruppodifossiliforsepiùinteressantedelCambriano,estremamenteindicativodelgrandeprocessodidifferenziazionefaunisticainatto,èstatorinvenutonellaformazionedelleBurgessShales,nellaColumbiaBritannica(Americasettentrionale),unazonafossiliferadelCambrianomedio,notadaunasettantinad'annimastudiataafondosoloinannirecenti.LavarietàdiformeestrattadalleBurgessShales(Fig.5)èimpressionante,soprattuttoseconfrontataconlosparutonumerodipianiorganizzativinotiallafinedelPrecambriano.GlianimalidiBurgessShaleshannoformecuriosissimee,seperalcuniapparelecitaunacollocazioneall'internodigruppiattualmentenoti(crostacei,anellidi,molluschiecc.),altrirappresentanodellemorfologieassolutamenteoriginaliedunichechetestimonianodeitentatividellaVitadi"provare"differentialternativemorfologicheefunzionali,soloalcunedellequali,tuttavia,costituisconoleradicidilineeevolutivegiuntefinoanoi.Traqueste,lalineadeiCordati,rappresentatadalgenerePikaja,all'internodellaqualeècontenutaquelladell'uomo.

Figura5.AlcunigenerirappresentantidellafaunacambrianadiBurgessShale.

Ancheilperiodosuccessivo,l'Ordoviciano,fucaratterizzatodadrammaticimutamentiambientali.All'iniziolevastepianuredelCanadaedell'Asiafuronosommersedaicaldimaricambrianiancorainavanzamento.Nell'ordovicianomedio,alcontrario,vifuunacontrazionedeimariinternichedeterminòlacomparsadivasteareebasseeasciuttechefuronoriallagatesoloallafinedelperiodo.Imutamentiambientaliinfluenzaronoprofondamentelavitaanimale.L'evoluzionedellefauneordovicianeavvenne,infatti,all'insegnadelladiversificazioneedellaspecializzazione.Traigruppipiùimportantiricordiamoimolluschi(bivalviecefalopodi),gliechinodermi(cheraggiunseroinquestoperiodoilloromassimolivellodidiversificazione),ibriozoieibrachiopodicheoccuparonoprogressivamentelebarrierecoralline,assiemeaicorallitabulatierugosi.Nell'OrdovicianocomparveroanchegliAgnati,pesciprimitivi,dotatidiunastrutturaassiledorsaledisostegno(vertebrati),prividimascellemobili,ditagliamedia,sprovvistidipinnepariedotatidiunalungacodaflessibile.Noneranodeibuoninuotatorie,probabilmente,vivevanoinacquebassedovesinutrivanodipiccoliinvertebratidifondo.

Duranteilbreveperiodosuccessivo,ilSiluriano,sisvilupparonoestabilizzaronosoprattuttolecomunitàlegateallescoglierecorallineeproseguìl'evoluzionedeivertebrati.Daiprimiagnati,chesimuovevanopigramentesulfondonutrendosiperfiltrazione,sioriginaronoleprimeformedipesciprovvistidiunpaiodimascellemobili.IprimiGnatostomi(vertebratidotatidiboccamobile)furonoiPlacodermi.Questanuovastruttura,chederivadallatrasformazionedelprimopaiodiarchibranchiali,rappresentòuneventosconvolgenteall'internodellecomunitàacquatiche.Lacomparsadiunaboccamobile,ingradodimorderesiainattaccocheindifesa,determinòunapressioneselettivafavorevolesiaall'aumentodelledimensionicheallosviluppodistrutturedifensive;iplacodermidevonoilloronomeallerobusteplaccheosseechenericoprivanoilcorpoesepperoesprimereformegigantesche,lunghefinoa7metri.L'originedeiplacodermièprobabilmentedalocalizzarsitralecomunitàittichedulciacquicoleosalmastre;piùtardi,tuttavia,unalineadidiscendentitornòalmaredandoorigineatuttiimodernipescimarini.Iplacodermi,inpocotempo,soppiantaronoquasideltuttogliagnatichesonoriuscitiagiungerefinoanoisoloconpochespecieectoparassite(lampredee

missine).SiestinserofralafinedelCarboniferoel’iniziodelPermiano,dopoaveroriginatoduegruppiestremamenteimportantidalpuntodivistaevolutivo:ipescicartilaginei(codroitti)eipesciossei(osteoitti).

Figura6.IlpescedevonianoEusthenopteron

NelcorsodelSilurianosiebbero,oltrealproseguimentodell'attivitàtettonica,numerosefluttuazionidilivellodelleacque,dovuteaunaseriediglaciazioni(estensionedeighiaccipolari)edisgelisuccessivi,checrearonofenomenidisiccità,inalcunicasianchemoltoestesi.Intalicircostanze,furonofortementefavoritigliorganismiingradodiresistereall'asciuttoquandolaghiomarisiritiravano.NeltardoSiluriano,comparveroleprimepianteterrestri(derivatedaalghe)dotatedifustidisostegno(piantevascolari),che,puressendoancoralegateall’acquaperlariproduzione,furonoingradodicolonizzareilgrandeambiente,finoadalloradeserto,delleterreemerse.Lapresenzadipianteterrestricreòlecondizioniadatteperlaconquistaanimaledellaterraferma.Alloroseguitosimosseroiprimianimaliterrestri,rappresentatida"vermi"similiaimillepiedi(archipolipodi).Eranocaratterizzatidagrandiocchicomposti(comequellodegliinsetti)edaunrobustoscheletroesterno(esoscheletro)munitodiappendicispinose.Questaprimainvasionedelleterreemersefuresapossibilepropriodallapresenza,inquestiorganismiprimitivi,diunoscheletroesternorigido,sclerificatoedimpermeabile.Questastrutturagarantivaisolamentoidrico(impedendoildisseccamentodeiliquidiinterni)esufficienterigiditàpersollevareilcorpoinunambienteincuinullasiopponevaallaforzadigravità.Inquestomodoiniziaronoaformarsi,inluoghiprossimiall'acqua,leprimesemplicicomunitàpioniereterrestri.

Fusoprattuttonelperiodosuccessivo,ilDevoniano,chequestiecosistemipionierisisvilupparonoesidifferenziarono.Conlaproliferazionedellepianteterrestri(comparverolicopodi,equisetiefelci),aglianimalifuronooffertenuovepossibilitàambientalisemprepiùdistantidall'acqua.Lenuovepiantefornironoombra,diminuironol'effettodelvento,conservaronol'umiditàeoffrironodetritiorganicidirettamenteutilizzabili.Inquestinuoviambientisiaffermaronoprobabilmentegliinsetti,presentiforsegiànellepaluditropicalidelSilurianoancheseipiùantichifossilidiinsettisonostatirinvenutiinroccedelDevonianomedioscozzeseedelDevonianoinferioreinCanada.Nelmare,intanto,fiorivanoesidifferenziavanoleammoniti,molluschicefalopodipredatori,masoprattuttoipescicheeranoderivatidaiplacodermi.Questiultimi,versolafinedelSilurianoavevanodatoorigineaduelineeevolutiveunadellequali,quellarelativaaipesciossei,subì,nelcorsodelDevoniano,un'ulterioredifferenziazioneintregruppi:iPaleoniscoidi,daiqualiderivaronoipescimoderni(teleostei),iDipnoi(pescidotatidiunasortadisaccopolmonarecheconsentelorodisopravvivereinambientesubaereoneiperiodidisiccità),oggirappresentatidasolotregenerirelitti,eiCrossopterigi,gruppoattualmenterappresentatodaun'unicaspecie,Latimeriachalumnae,ma

chediedeorigineaiprimianfibi.NelcorsodelDevoniano,lapressioneselettivaoperatadaicontinuimutamentiambientali(fasidiprosciugamento)esoprattuttoladisponibilitàdinuovenicchieecologicheterrestriindusserovertebratidotatidiopportunicaratteripredativiaspostarsiversogliecosistemiterrestri.QuestivertebratifuronoiCrossopterigiRipidisti.Questogruppodipescipresentavacaratteristichestrutturalipotenzialmenteingradoditrasformarsiinstruttureutiliallavitainambienteterrestreequindidioriginareiprimitetrapodi(organismiconquattrozampe)terrestri.Eranodotatidipinnelobatesostenutedaunoscheletrointernoconmuscoli,alcontrariodellepinnedialtripescichesonosostenutedasempliciraggi;inoltre,avevanocoaneaperte,cioècanali"nasali",incollegamentoconunasaccapolmonareinterna.UnrappresentantetipicoèEusthenopteron(Fig.6),unripidistadelgruppodegliOsteolepiformi(Devonianosuperiore)chefungeunpo'damodellocuiriferire,comparativamente,lastrutturadeiprimitetrapoditerrestri:gliAnfibiStegocefaliLabirintodonti.LaformaditransizionetraquestiduegruppidivertebratièesemplificatadaIchthyostega,unodeipiùantichianfibifossiliconosciuti,descrittonel1937nellearenariedelDevonianosuperioredellaGroenlandia.Ichthyostega,puressendounostegocefalo,mostraancoracaratteritipicideiripidisti,accantoanovitàadattativeconseguentiadunostiledivitafrancamentepiùterrestre.Inparticolare,ilbraccioinminiaturadiEusthenopteronvienecompletatoconleossaterminalidelledita(laddovevieranoiraggidellobodellapinna),l'orientamentodiquesti"arti"nonèpiùposterioremadirettoperpendicolarmentealterreno,levertebresimodificanoinmododaacquisireunafunzionalitàlegataallanecessitàdisostenereuncorpoinunambienteprivodispintaidrostatica,vengonoacquisitiuncintoscapolareeunopelvicoperadeguareilcollegamentodegliartiallacolonnavertebrale,inmododaconsentireunsostegnodorsaleaglistessinelmovimento(neipesci,soprattuttoilcintopelvicoèliberoeaffondatoneimuscoli,privodiqualsiasifunzionedisostegno),vienemiglioratalafunzionalitàrespiratoria"riciclando"lecoaneemigliorandolaprimitivasaccarespiratoriadeidipnoiedeicrossopterigi.Apartiredallaprimitivacoperturadiscaglieereditatadaipesci,iltegumentosimodificòinmododarenderlopiùadattoaimpedireuneccessivaperditadiliquidiinterniesisvilupparonostruttureuditivecomel'orecchiomedio,checonsentedipercepirelevibrazionidell'aria.Tuttavia,Ichthyostegapresentaancoratraccedilinealaterale(organosensorialetipicodeipesci)edèdotatodiunacoda"pisciforme"conpinnadorsaleedanale.Eraquindiuntetrapodeterrestreancorafortementelegatoall'acqua.Perquesto,alcuniautoriritengonochelaspiegazionedell'originedeglianfibifacenteappelloaricorrentisiccitànonsiasoddisfacenteesuggerisconocheIchthyostegavivesseperlamaggiorpartedeltempoinacquebasseepaludose.Intalsensosembraplausibilechelasuaarchitetturacostituisseunbuoncompromessotrailnuotoelospostamentosulfondo,inmodonondissimiledaquantoaccadeperalcunianfibiattuali,adesempioitritoni.Laconquistadellaterraferma,secondoquestomodello,sarebbestatastimolatadallacompetizioneperilcibonell'acquaedall'abbondanzadiquest'ultimosullaterraferma,doveeranoormaipresentivariartropodi,chedivennerosemprepiùabbondantiduranteilCarbonifero.Glianfibi,tuttavia,nonhannomairisoltodeltuttoiproblemilegatiallaconquistadell'ambientesubaereo:lalorocoperturapocosclerificatanongliconsentediaffrancarsideltuttodaambientiacquaticiocomunquemoltoumidie,soprattutto,tuttiglianfibihannolanecessitàdicompiereiprimistadidellorosviluppoinacqua.

Ilcompletoadattamentodeivertebratiallavitaterrestresiebbesolosuccessivamente,conlacomparsadeiprimirettilicheeranodotatidiunapellecopertadisquamee,soprattutto,eranoingradodideporreuovadotatediguscioequindiresistentialdisseccamento.Questoconsentìairettilidioccupareambientianchelontanidall'acqua,perché

venivaeliminatalanecessitàdiunperiododivitalarvaleacquatico.

QuestosaltodiqualitàavvenneforsegiànelCarbonifero,periodoincui,tuttavia,lecondizioniclimaticheeambientalifavorironoenormementeladiffusioneeladiversificazionedeglianfibi.CosìcomeilDevonianopuòessereindicatocomeil"periododeiPesci",ilCarboniferopuòesserericordatocomeil"periododegliAnfibi".GiàapartiredallafinedelDevoniano,lecondizionigeoclimatiche(tral'altrolamassaeuropeasifuseconlamassacontinentalenordamericana)favorironolosviluppodienormipaludi,circondatedaforesteincuisorseroleprimepianteconsemi,leconifere(attualmenterappresentatedapini,larici,abeti,ecc.).Conlosviluppodeisemi,anchelepiantesiaffrancaronodallanecessitàassolutadell'acquaperlariproduzione.IlCarboniferosicaratterizzò,quindi,inampiezonedellaTerra,perunclimacaldoeumidocostantetuttol'annocheconsentìlosviluppodiestesecopertureforestaliicuirestiandaronoacostituiregliimmensidepositidicombustibilefossile,dacuiilperiodoprendeilnome.Leesteseforesteelepaludifornironoamoltianimaliampiepossibilitàdidiffusione.Fragliartropodi,proliferaronoparticolarmenteragni,centopiedi,millepiedi,scorpionieinsettitraiqualicomparveroleprimeformealate.Laradiazioneevolutivanell'ambienteaereo,evidentementefavoritadallamancanzadicompetizione,fusubitonotevole,conlaproduzionedellepiùsvariateformevolatrici;traquestericordiamoMeganeura,unalibellulagiganteconun'aperturaalaredi70cm.

Nelperiodosuccessivo,ilPermiano,siebbelaformazionediPangeaII,unicosupercontinentecheraccoglievatutteleterreemerse,eilritirofinaledeimariinternidelPaleozoico.Sivenneroacrearevastezoneasciuttechesegnaronoildeclinodeglianfibi,gruppocheavevaprecedentementedominatoleterreemerse.IlclimadelPermianofugeograficamenteecronologicamentevariegato,caratterizzatodaunforteraffreddamentonellaparteinizialedelperiodoedaunriscaldamentofinale.Irestipiùcaratteristicidellefaunepermianeriguardanogliinsetti,chesvilupparonoleprimeforme"moderne"ametamorfosicompleta,leammoniti,checontinuaronolaloroprogressivacomplicazione,eirettili.

IlPermianosichiuseconunagrandeestinzionedimassachesegnò,225milionidiannifa,illimitefrailPaleozoicoeilMesozoico.Circalametàdellefamiglie(qualcunodiceil90%)diinvertebratimarinidiacquebassefuronocancellatenelgirodipochimilionidianni:itrilobiti,chegiàdeclinavanodatempo,siestinserocompletamente;moltimolluschi,tracuiinautiloidi,siridusseroaunasolalineaevolutiva;ibrachiopodifuronodecimatiesostituitidaibivalvi,molluschifinoadallorapocosviluppati.




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L'eraSecondariacomprende3periodi:Triassico(248-213milionidiannifa),Giurassico(213-144milionidiannifa)eCretaceo(144-65milionidiannifa).

L'estinzionedimassachecaratterizzòlafinedell'eraPaleozoicaresedisponibilirisorseambientalichefuronoutilizzatedaisopravvissutiperoperareunagranderadiazioneadattativa.Fraglianimalimarini,leammoniticontinuaronoasopravvivereeadiversificarsiperestinguersisoloallafinedelMesozoico;tragliartropodi,icrostaceiaumentaronocostantementeinnumeroevarietà,mafuronosoprattuttogliinsettiadavereunveraesplosioneevolutiva,parallelaaquelladellepianteconfiori(fanerogame),conlequalistrinserounrapportodiimpollinatorispecializzati.Dalpuntodivistazoologico,l'eraMesozoicafucaratterizzatadalpredominiodeigrandirettili,duratopiùdi150milionidianni,unperiododitempostraordinariamentelungo.Talepredominiosimanifestòconl'occupazionediquasituttelenicchieecologichedisponibili:vifuronoformemarinecompletamenteacquatiche,comeiplesiosauriegliittiosauridelGiurassico-iprimiviviparinoti(ingradocioèdipartorirepiccoligiàformati)-eformevolanti,comeglipterosauri,dellostessoperiodo,chevolavanograzieamembranealarichesisviluppavanotragliartianterioriedilcorpo,moltosimiliaquelledeipipistrelliattuali;vifuronogigantescheformeerbivore(triceratopi,diplodochi,ecc.)etemibilicarnivori(carnosauri).Inizialmenteilsuccessodeirettilifudeterminatodalpossessodicaratteriadattativiforticheconsentironolorodisvincolarsicompletamentedall'ambienteacquatico:l'epidermidesquamosafortementesclerificatael'uovoamnioticochiusoinunguscio.Ilprimocarattereconsentìlorodiconquistareancheambientiaridi(ungrossovantaggiosuglianfibi,chepossedevanounapellenonispessitaequindieranocostrettiaviveresoloinambientifortementeumidioacquatici)ediprodurrestruttureectodermicheaccessorie(comelecorna,gliscudicranici,ecc.)funzionaliinmoltirapportiinterspecifici,comequellipredatore-preda.Con"l'invenzionedell'uovo"irettiliebberolapossibilitàdiricreareunambienteacquaticoattornoall'embrione,chepoteva,quindi,compiereleprimefasidisviluppoancheinambientesubaereoalriparodaipericolididisseccamento(ilgrossoproblemadeglianfibi).Grazieaquesteduemoderneacquisizioniadattative,irettilipossonoessereconsideratiiprimivertebratifrancamenteterrestri.

Iprimirettilicomparveroprobabilmentenelcarbonifero,originatidaungruppodianfibisconosciuto.Perlungotemposièpensatocheungruppodianfibistegocefali,iSeymuriomorfi,potesseessereconsideratoilgruppoditransizione.Tuttavia,anchesel'anfibioSeymouriamostranotevoliaffinitàconilrettileDiadectes(entrambeleforme

provengonodalPermianosuperiore),recentiscopertehannoconvintoipaleontologicheiseymouriomorfirappresentinounalineafileticatronca,chenonèproseguitaoltre.Comunque,giàallafinedelpermianoirettilieranobendifferenziatiedavviatialpredominio.IpiùimportantirettilipermianifuronoiPelicosauri(famosiperl'enormecrestadorsale;generecaratteristicoDimetrodon)eiTerapsidi,gruppocheoriginò,nelTriassico,iprimimammiferi.Soprattuttoquest'ultimogruppodirettiliseppeesprimere,tralafinedelPermianoel'iniziodelTriassico,unabuonadiversificazione;tuttaviagiàversolafinedelTriassicofueclissatodaquellichesarannoiveridominatoridelMesozoico:iDinosauri.Cosaabbiaconsentitounatalesuperioritàèoggettodidiscussione,soprattuttosesiconsiderailfattoche,nelTriassico,oltreaidinosaurisioriginaronoancheiprimimammiferi.Tuttavia,questiultimi,nonostanteilpossessodialcunicaratterisicuramentevincentisulpianoadattativo(omeotermia,viviparità)furonorelegatiinnicchieassolutamentemarginali,nonriuscendoadavereilsopravventosuanimalichesipensavafosseromenoperformantisiaalivellofisiologico(siconsideravanoeterotermi),siaalivelloriproduttivo(dovevanocomunquedeporredelleuova,alcontrariodeimammiferichetrattenevano"leuova"ingrembo).Ogginoisappiamochetuttoquestopotéavvenireperchémoltidinosaurifuronoprobabilmenteasanguecaldo,quindiingradodiesprimereunfortedinamismofisiologicoancheabassetemperature(dinotte,peresempio);inoltre,noneranocosì"tonti"comecertaiconografiadatatacelihamostrati,alcontrario,sepperoesprimerecomportamentisocialieoperareformedicooperazionenelleattivitàdipredazione;perultimo,eranogrossi,alcontrariodeimammiferi.Se,infatti,vifuronoanchedinosauripiccoli(comeadesempioquellidaiqualiderivaronogliuccelli),nellamediaessifuronopiùgrandideimammiferilorocontemporanei;questoavrebbeconsentitoaigrandidinosauriunvantaggioenorme,siainterminidirapportiinterspecifici(competizione)siainterminifisiologici,datocheunanimaledigrandidimensionihaparadossalmentemenonecessitàenergetichediunorganismodipiccoledimensioni.Imammiferi,tuttavia,sopravvisseroallaschiacciantesuperioritàdeidinosauri;eranoomeotermi,dotatidipelo(oggisipensacheanchemoltidinosaurinefosseroprovvisti),eranovivipari,eranodotatidiundiaframma(quindiingradodioperareunarespirazionepiùfunzionale),presentavanounamaggioreefficienzadell'emoglobinaconlaspecializzazionedeiglobulirossineltrasportareossigeno;perultimo,lepiccoledimensionieleabitudininotturnelimettevanorelativamentealriparodallapredazionedeigrandisauri.Laconvivenzadeiduegruppiduròsinoallascomparsadeidinosauri,allafinedelMesozoico.Ilpassaggiotral'erasecondariael'eraterziariaèinfattisegnatodaunaspettacolareestinzionedimassa(estinzioneK-T)dicuiidinosaurisonosololevittimepiùfamose.Infatti,questoeventosegnòfortementequasituttelecomponentifaunisticheefloristichedeltempo,siainterracheinmare.Il38%deigeneridiorganismimariniscomparve,sullaterrasiraggiunseropuntemoltosuperiori,inqualchecasodel100%.Percomprendereladrammaticitàdiquestinumeribisognaconsiderarechelascomparsadiunsingologenereimplicalascomparsadimigliaiadiindividuiappartenentiforseacentinaiadispecie.Neimari,igruppipiùcolpitifuronoiforaminiferi,lespugneeiriccidimare,mentrescomparverodeltuttogruppimarinifinoadalloradominanti,comeirettilimarini(plesiosauro,mosasauroeittiosauro)eleammoniti.Sullaterraferma,oltreaidinosauri,numerosevittimesicontaronotraaltrirettili,mammiferi(nonnesopravvissepraticamentenessunodipesosuperioreaidiecichilogrammi)eanfibi.Curiosamentealcunigruppisisalvarono,adesempio,coccodrilli,alligatori,rane,salamandre.Perquantoriguardalaflora,ladocumentazionefossilesembratestimoniareunminorimpattodell'eventosulmondovegetale,anchesesiregistraunfortecambiamentonellacomposizionefloristica,chevedelerigoglioseforestemesozoichesostituitedacomunitàpiùopportunistichedominatedafelci,quindicomunitàinqualchemodopioniere.

Maquantoduròquestoevento?Nonèfacilerispondere;secondoalcuni,milionidiannielaloroapparentesubitaneitàèdovutaallaincompletadocumentazionefossile.Altripaleontologiritengono,alcontrario,cheglieventihannoimpiegatopochecentinaia,forsedecine,dimigliaiadiannipercompiersi.Nel1978WalterAlvarez,figliodiLuisAlvarez,premioNobelperlafisica,formulòunadellepiùaffascinantiteorieinproposito,quelladelmeteoriteassassino(Fig.7).SecondoAlvarez,65milionidiannifalaTerrafucolpitadaunasteroidedi10kmdidiametrocheprodusseun'esplosioneingradodiliberareenergiaequivalentea10.000voltel'interoarsenaleatomicooggiesistente.PerformularelasuateoriaAlvarezsibasòsuosservazionicompiuteinItalia,inparticolarenellaGoladelBottaccione,vicinoaGubbio,doveidentificòunostratomoltoinsolito,risalenteappuntoa65milionidiannifa,contenenteun'altaconcentrazionediiridio(unmetalloabbondantissimonellemeteoriti,mararoinnatura)chetestimonierebbel'impattodiunenormeasteroideconlaTerra.Ilcataclismaavrebbeinnescatounincendioplanetario,sollevatonell'atmosferaun'immensanubericcadiiridioche,oscurandoilcielo,avrebbeimpeditolafotosintesiclorofillianaedeterminatoildisgregamentodellecatenealimentari.Questateoriasembraconfermatadadatiprovenientidadiversepartidelmondoequalcunocredediaverindividuatoancheilpuntod'impatto:lecostesettentrionalidelloYucatan.

Figura7.Ilmeteorite"assassino"nellarappresentazionediun'artistaamericano.

Oltreall'ipotesidelmeteoriteassassino,tuttavia,sonostateavanzatealtreteorie:raffreddamentodelclima,aumentodelleradiazionicosmiche,malattie,progressivasostituzione,apartiredalCretaceo,dellegimnosperme(piantesenzafioreapparente)conleangiosperme(lemodernepianteconfiori).Probabilmente,comequasituttiigrandieventievolutivi,questaestinzionefu,inrealtà,dovutaalconcorsodinumerosecausedifferenti.Certoèche,conl'iniziodelTerziario,siassisteall'esplosivaradiazioneadattativadeimammiferiche,assiemeagliuccelli,occuparonoprogressivamentelenicchieecologichelasciateliberedairettili.Propriogliuccellisonoconsideratiglieredideidinosauri;addiritturaqualcheautore(Bakker)pensacheidinosaurinonsisianomaiestinti,maabbianocontinuatolaloroevoluzionecomeuccelli.Tuttavia,recentiritrovamentifossilihannoapertoilcampoadaltreipotesichesembranoriconsiderarelaposizionediquellochefinoraeravistocomel'anellodicongiunzionetrairettiliegliuccelli,ilfamosoArchaeopteryxdelGiurassicobavarese.








Letture


L'eraCenozoicacomprendegliultimi65milionidianni.Èdivisaindueperiodi,ilprimodeiquali,ilTerziario,duròfinoa2milionidiannifa.IlTerziariosidivideasuavoltainvarieepocheche,dallapiùanticaallapiùrecente,sonoilPaleocene(65-55milionidiannifa),l'Eocene(55-38milionidiannifa),l'Oligocene(38-25milionidiannifa),ilMiocene(25-5milionidiannifa)eilPliocene(5-2milionidiannifa).Ilsecondoperiodo,ilQuaternario,haavutoorigineduemilionidiannifaeduratuttora.

IlTerziariofuilperiododeiMammiferi.Dopoavervissutoperquasi150milionidianniall'ombradeiDinosauri,improvvisamentequestogruppodivertebratisitrovòadisposizioneunambienteassolutamenteprivodicompetitorieunagrandevarietàdinicchieecologichelasciateliberedaigrandirettili.Fuunaveraepropriaesplosionedivitamammaliana;sullaterrafermasisvilupparonoerbivoriprovvistidizoccoliecarnivoripredatori,nell'ariaipipistrelli,lebaleneneimari.Tuttoquestoinmenodi15milionidianni.Oltrechedalladisponibilitàdirisorseambientali,lagranderadiazioneadattativadeimammiferifufavoritadafenomenididerivacontinentaleche,isolandomassefinoadalloraunite,favorironoeventidispeciazioneperisolamentogeografico.Inpratica,icontinenticostituironoaltrettantilaboratorievolutivi,piùomenoseparati,incuisisvilupparonomoltespecieisolatamentel'unadall'altra,chepoiebberolapossibilitàdidiffondersiinaltreareeallorchélamutevolegeografialoconsentiva.Interscambifaunisticisiebberosoprattuttotralemassecontinentalisettentrionali(NordamericaedEurasia)finoall'iniziodell'Eocene;successivamentesiebbedivergenzaperlaseparazionedelNordAmericadall'Europaediquest'ultimadall'Asia.Nell'Oligocenequesteduemassecontinentalifuronoriconnesseconsentendol'invasionedell'Europadapartediformeasiatiche.Lefaunecontinentalimeridionaliebberodellestoriepiùindipendenti.DeigruppipiùimportantidiMammiferiterrestrichesisparseroattraversoilglobonelCretaceoenelTerziario,soloiMarsupialieiMonotremi(mammiferiprimitividepositoridiuova)raggiunserol'AustraliaprimadellasuaseparazioneedelsuoslittamentoversoilNorddell'Antartide.Sottraendosiallacompetizioneconimammiferiplacentati,iMarsupialipoteronodiversificarsinotevolmenteoccupandonicchiealtroveoccupatedaiplacentaticonformestraordinariamentesimilidalpuntodivistamorfologico(convergenzaadattativa).IMarsupialisidiversificaronoancheinSudAmerica,maquifuronosuccessivamenteeclissatidaivariplacentatichevigiunseroall'indomanidell'emersionedell'istmodiPanama,nelPliocene.Oggisopravvivonosoloduegruppidimarsupialiamericani.

Allarapidaevoluzionedeimammiferiterziaricontribuironoancheinotevolicambiamenticlimaticichesiverificaronoin

questoperiodo.Inparticolare,ilsopravvenirediclimipiùfreddieasciutti,chesiverificòdall'Oligoceneinavanti,promosseladiffusionedellesavaneerbose,specialmenteinAsiaeinNordAmerica.QuestecostituironolezonedisviluppoeproliferazionemassicciadegliattualiUngulatidapascolocomeirinoceronti,icammelli,ibovidieicavalli.Proprioilquadroevolutivodeicavallipuòessereportatoadesempiodievoluzioneindottadamutamentiambientali.Daformedipiccoledimensioni,adattateallavitainambienteboschivo,sipassa,infatti,aformedigrandidimensioni,adattateallacorsainambientiapertieingradodinutrirsidivegetaliviaviapiùfibrosi.Nelfrattempo,irapportiinterspecificitramammiferipredatoriederbivorivenivanostrutturandosiinmododefinitivo.Labennotadotedeicavallinellacorsavelocenonècheunodeirisultatidiquesteinterazioni.Eprobabilechetalirelazionisianoanchelargamenteresponsabilidiunaspettomoltoimportantedell'evoluzionedeiMammiferi,ilnotevolesviluppodellamassacerebrale.Misurazionidellagrossezzadelcervelloottenuteamezzodeicalchipresidallepartiinternedeicranifossiliindicanounprogressivoaumentoditaleformazione,checorrispondevaall'aumentonelledimensionidelcorpo,sianeicarnivoricheneglierbivori.Inveritàlemassecerebralideglierbivorierano,esono,ingenere,piùgrossediquelledeiCarnivori;inpraticaadunaumentodellepotenzialitàpredatoriedeicarnivoricorrispondevaunaumentocerebraledeglierbivorichedivenivanosemprepiùabilinellosfuggireloro.ICarnivori,dalcantoloro,svilupparonounavastagammadiarmioffensivespecializzateeciòsiverificòindipendentementeinparecchigruppidianimalidiversi.Peresempio,grossespeciepredatricicondenticaniniallungatiaformadilama,notecometigridaidentiasciabola(Fig.8),originaronopiùvoltedagruppidifferentisiatraimammiferimarsupialichetraimammiferiplacentati.Glierbivoririspondevanoconunaseriedidispositividifensivicomelamigliorataabilitànellacorsaoppureconl'aumentodelledimensioni,finoadarrivareataglieinespugnabili,comeneglielefanti,ocomeuncolossaleparentedeirinocerontiattuali,l'IndricotheriumdelMiocene,chemisuravainpiedi6metridialtezza.Altrisvilupparonounavarietàdicorna,sebbenequestevenisserocomunementeimpiegateperlotteinterspecificheperlaconquistadellefemmine,nellaformazionedeibranchienell'assegnazionegerarchicadeiruoliall'internodeglistessi.

Fig.8.Smilodon,latigredaidentiasciabola.

Un'altrastoriadisuccessodeigrandivertebratiterrestrinelTerziarioèstataquelladegliUccelli.ComeiMammiferi,essisidiversificaronorapidamente:anzisipuòbendirechequasilametàdegliordiniancoroggiviventisieraevolutaversolafinedell'Eocene,compresealcunespecieparticolarmentespecializzatecomeipinguini,gliavvoltoi,igufieunavarietàdigrossiuccelliincapacidivolare.Alcunidiquestiultimi,comeDiatryma,gigantedell'EocenedelNordAmerica,godettelocalmentediunbreveregnocomeprincipalecarnivoro,contemporaneamenteaiprimiMammiferi.Altreformegigantesche,nonvolatrici,sisvilupparonosoprattuttoinambientiinsulari.

Intuttequesteinterazioniecologicheeneicambiamenti

geoclimaticiegeograficichecaratterizzaronoilTerziariosiritrovanoancheleradicidell'evoluzionedell'uomo.Lalineadeiprimatieragiàsortadalungotempo,addiritturanelCretaceo;ifossilipiùantichichesiconoscano,risalentia70milionidiannifa,ciprovengonodalNordAmerica.Eranoformearboricole(Purgatorius),nondissimilidagliattualiinsettivoridaiqualieranoderivati.Sitratta,tuttavia,diformenebulose,notesoloperalcunidenti.Iprimirestifossilidiprimatirelativamentecompletirisalgonoacirca50milionidiannifaesonorappresentatidaproscimmiesimilialemuridi.Sipensacheanchequesteformeconducesserovitaarboricola,nonentrandocosìincompetizioneconiroditoriche,nellostessoperiodo,occupavanoconsuccessoilsuolodelleforeste.Attornoa30milionidiannifa,comparverolescimmieedipocosuccessivisonoiprimirestidiantenatidelleattualiscimmieantropomorfe(AegyptopethscusdaEl-Fayum,Egittosettentrionale),equindianchedell’uomo.

Letture


Primetappedell'evoluzionedeiviventi/EvoluzionebiologicadeiviventiAntonioBonfitto

Primetappedell'evoluzionedeiviventi

Evoluzionebiologicadeiviventi

Letture

Letture

E.Balletto,Zoologiaevolutiva,Zanichelli,Bologna,1995

M.Rizzotti,Primetappedell'evoluzionecellulare:dallacomparsadellaprimacellulaagliorganismiditipomoderno,Zanichelli,Bologna,1995.

http://crisceb.unina2.it/didattica/BIOMOLECOLE/introduz.htm



L'evoluzioneumana.Dati,problemi,interpretazioniFiorenzoFacchini

Introduzione

IDati

ProblemiAperti

Interpretazioni

Letture

Introduzione

Leoriginidell'uomoesercitanounfascinosututti.Conoscereilnostropassato,aquandorisalelapresenzadell'uomosullaterra,qualiformeviventil'abbianoprecedutoopreparato,qualepotevaessereilsuostiledivitasonodomandechesorgonospontaneamente,pernonparlarediquelleditipoesistenzialecheriguardanol'uomodituttiitempi:perchél'uomo?qualesignificatohalasuapresenzasullaTerra?.Aquesteultimesonochiamatearisponderelariflessionefilosoficaeleconcezionireligiosedell'uomo.Lascienzacercarispostealledomandecircailcome,ilquando,quellecherientranonelsuoorizzontediosservazione.

L'ideachel'uomononsiasemprestatoquellochevediamooggiechenonsiasfuggitoaquelprocessodievoluzionecheapparentalediverseformeviventièlargamentediffusadaquandoBuffon,Lamarck,Darwinealtriancorahannosuggeritolateoriadellaevoluzionebiologica.

Anchesenonsonodocumentatituttiipassaggienonsonoadeguatamenteconosciutiivarimeccanismiconcuièavvenutal'evoluzione,lateoriaevolutivasidimostracoerenteconlediversescoperteavvenutenegliultimidecenninelcampodellabiochimica,dellageneticamolecolare,dellapaleontologia,percuièunateoriascientificamentefondataedèdiventatachiaveinterpretativadellabiologiamoderna.

LaspiegazionedelprocessoevolutivoindicatadaDarwinnellainterazionetraselezionenaturaleemutazioni,percuièlaselezionestessa"acreare"lenuovespecieutilizzandolevariazionidelgenoma(cf.Dobzhansky,Mayr,Ayala,ecc.)nonèesentedacritiche.Alivellomicroevolutivoimeccanismiconcuisiformalabiodiversitàsonoconosciuti;laloroestensioneallamacroevoluzione,allaformazionedellegrandilineeevolutive,perspiegarecioèlacomplessitàcrescentealivellodiorganismibiologicinonèritenutasufficientedavaristudiosi,nelsensochedovrebberoesserericercatialtrimodellievolutivi.

Ciòpremesso,glistudisullaevoluzioneumanadispongonoattualmentediunadocumentazionecheoffreunquadrocomplessivamentericcodidati,difficilmentespiegabilesenzailprocessoevolutivo,ancheserestanoapertimoltiproblemievièspazioperinterpretazionidiverse.

IDati



Introduzione

IDati

Lefasidell'evoluzioneumana

1.GliAustralopiteci

2.Homohabilis

3.Homoerectus

4.Homosapiens

ProblemiAperti

Interpretazioni

Letture

IDati

Idatisonorappresentatiessenzialmentedaifossilichesonovenutiallalucenegliultimi150anni.EssifornisconounadocumentazioneabbastanzariccaedestinatadaaccrescersisulleformediPrimatichehannoprecedutolacomparsadell'uomosullaTerraesulleprimeformeumane,certamentediversedaquellechevediamooggi.Lapaleoantropologiametteancheinevidenza,oltreairestischeletrici,letraccelasciatedall'uomonellasuaattivitàenellasuavita,cioèisegnidellaculturachepresentanounosvilupponeltempo.Ilsuorapportoconlanaturaelaorganizzazionedellasuavitacambiano,simodificanoneltempo,nelsensochel'uomosidimostrasemprepiùingradodipadroneggiarel'ambienteconilqualehasempredovutocompetere,comeognialtraspecie,mainquestacompetizionehapotutoricorrerenonsoltantoavantaggibiologicamentepossibili,maagliaccorgimentidellacultura.

Oltreaidatipaleontologicilostudiodellaevoluzioneumanasiavvale,soprattuttoalivellodiintepretazionefiletica,anchediquellichepossonoesserefornitidallabiologiamolecolare,trattidallecomparazionitrauomoePrimatinonumani,comepuredallericerchesullepopolazioniviventi.

Lefasidell'evoluzioneumana

Nell'evoluzioneumanasiriconosconoconcordementeunafasepreumana,preparatoria,ediversefasisuccessiveallacomparsadell'uomoattraversolequalisigiungeall'umanitàattuale.

LafasepreparatoriaèrappresentatadagliAustralopiteci.Essanonsegueunosviluppolineare,maècaratterizzatadadiverselinee,fralequaliunapotrebbeavereportatoalleprimeformeumaneopotrebbeessereconnessaaunantenatocomuneaquellaumana.Effettivamentelescoperterecentiindicanounacomplessitàdiformediominidiinprossimitàeinconcomitanzaconquellachevieneritenutalapiùanticaformaumana.BennovespeciediAustralopitecisonostatesegnalate,anchesealcunepotrebberocorrispondereadeigeneridalpuntodivistatassonomico.Alcunesonodecisamentelontane,sulpianofiletico,dall'uomo,altremeno.Alcunesonoprecedentiallafasepiùanticaumana(rappresentatadaHomohabiliseHomoerectus),altresiaccompagnanoadessa.

LefasichevengonoidentificateperilgenereHomosonoleseguenti:Homohabilis,Homoerectus,Homosapiens.Vaperòsubitonotatochelanomenclaturainuso,presadallasistematicabiologica,piùcheunsignificatotassonomico(genere,specie)staaindicarestadimorfologico-evolutivi,grossolanamentesovrapposti,comemoltiAutorimoderni

http://www.bo.astro.it/universo/letture/webcorso/webuniverso/facchini/facchini2.html#sapiens

fannorilevare(Jelinek,Coppens,ecc.).

1.GliAustralopiteci

LafaseaustralopitecinaècaratterizzatadaPrimaticheavevanounacapacitàcranicanell'ordinedelleAntropomorfeattuali,mapossedevanounastrutturaidoneaalbipedismo,ancheseancoraimperfetto,specialmentenelleformepiùantiche.Questastruttura,certamentevantaggiosainunambienteapertocomequellochesiformònell'AfricaorientalenelMiocenesuperioreeall'iniziodelPliocene,harappresentatoilprimopassoversol'ominizzazione.L'avvicinamentoallaformaumana,oltrechedallastrutturabipede,èdocumentatodalladentatura(assenzadidiastema,riduzionedeicanini)certamenteincorrelazioneconunadietadiversadaquellaforestaledelleAntropomorfe.IrepertisonolocalizzatiinAfricainunperiodochevadai4-5milionidiannifaapocopiùdiunmilionediannifa.Ricordol'Australopitecoafricano,segnalatodalDartnel1925nell'Africaaustrale(aTaung)eisuccessivirinvenimentinellastessaregioneriferibiliallaformagracile,comequelladiTaung(Plesiantropo;A.prometheus),eallaformarobusta(Paranthropusrobustus,Paranthropuscrassidens);irepertirobustidell'Africaorientale(A.aethiopicus,A.boisei)di2-3milionidiannifa.AltriAustralopitecipiùantichi(A.arcaici,di3-3,5milionidiannifa)provengonodall'EtiopiaedallaTanzaniaedalKenya.Sonolabennota"Lucy"(A.afarensis),trovatanel1974adHadar,inEtiopia,eaLaetoliinTanzania,dovesonostatepurerinvenuteimprontediOminidirisalentia3,5milionidiannifa.AlleformearcaichevengonoriferitiirecentirinvenimentidiA.(oArdipithecusramidus)di4,4milionidiannifainEtiopia,diA.anamensisdi3,9-4milionidiannifa(Kenya),diBahr-el-gazahlnelChaddi3,2milionidiannifaediA.afarensesegnalatonel1998nelSudAfricanellabrecciacalcareadiSterkfonteinrisalentea3,2-3,6milionidiannifa.

Figura1.LocalitàafricanechehannofornitorestidiAustralopitecine.

Inunacomunesomiglianzadifondo,riconoscibilenegliadattamentialbipedismo,ancheseassociatiadimensionicerebralinell'ordinediunPanide,c'èdarilevare,nelleformepiùantiche,unamorfologiadell'apparatolocomotorechedenotabuonacapacitàdiarrampicamentoefamiliaritàconl'ambientearboreo,specialmenteinA.afarense,inA.ramiduseanchenell'A.arcaicodiSterkfontein.

Figura2.Restischeletricidi"Lucy"(Astrulapithecusafarensis)

L'A.anamensisrivelerebbeinveceunastrutturapiùchiaramenteorientataalbipedismo.Adesso,piùcheallealtreformearcaichesarebbedaricollegarsisecondoSenutlalineaumana(Homohabiliserudolfensis).Sembradunque,secondolerecentiscoperte,che3-5milionidiannifavifosseroAustralopitecichepraticavanosiailbipedismochel'arrampicamento.Alcuniperòsembranopiùorientativersoilbipedismo,altriversol'arrampicamento.1

Leformepiùantichesisarebberosviluppatenell'Africaorientaletra4,5e3milionidiannifa.EssesisarebberodiffusenonsolonelleregioniaperteaEstdelRift(comesuggerisceCoppens),maancheaOvest,nelChad,esisarebberospintenelSudAfrica.QuipotrebberoaveredatooriginesiaadAustralopitecoafricanocheadAustralopitecorobusto,mentreaEstdelRiftl'evoluzionedellaformaarcaicaavrebbeportatoadA.aethiopicuseaA.boisei.

Figura3.AustralopithecusrobustuseAstrolopithecusaethiopicus

Perl'epocadegliAustralopitecipiùrecenti(2,5-2milionidiannifa)sonostatesegnalateanchepietrescheggiate,masihal'impressionechenoncitroviamoancoradifronteaunalavorazionesistematicaeprogressivadellaselce,qualesiincominciaadosservareconHomohabilis,percuiglioggettieventualmentemanipolatinonassumonoilsignificatochehannoconl'uomo.Forsepotrebbeparlarsidiunaprecultura.InognicasogliAustralopitecinonvengonoconsideratidilivelloumano.

2.Homohabilis

Apartireda2,5-2milionidiannifainAfricaorientaleeanchenell'AfricadelSudvisseroaccantoagliAustralopitecidegliOminidichesidistinguonodaessiperunamaggiorecerebralizzazione(secondoTobiasl'aumentodellacapacitàcranicasarebbedioltreil40%)eperisegnidi

comportamentoculturalechecihannolasciato.ÈlafasediHomohabilis,documentatadavarirepertiinTanzania,Etiopia,KenyaenelSudAfrica.IlrecenterinvenimentodiunframmentodimandibolanelMalawi,riferibileaHomohabilis,dicirca2,5milionidiannifa,potrebbeattestareunamigrazionepiuttostoanticadall'AfricaorientaleversoilSudAfrica.

Lafacciaapparemenoprognata,lastaturaintornoa140-150cm.

Figura4.Homohabilis1470(KoobiFora)

Comenoto,ladenominazionediHomohabilisèmotivatadauncertosviluppodellacapacitàcranica(circa650-680ccinHomohabilisdiOlduvai;800ccnellaformapiùcerebralizzatadelTurkanadenominataancheHomorudolfensis),edalfattocheinsiemeconirepertisonostatitrovaticiottolilavorati,scheggiatilungounmarginediunaodientrambelefacce(chopperechoppingtools).Citroviamodifronteallapiùanticalavorazionedellapietra.Essavieneritenutaintenzionale,espressionediunlivellointellettivoche,secondomoltistudiosi,corrispondeaquellodell'uomo.InoltreconHomohabilisèattestataanchel'organizzazionedelterritorio:vengonoidentificateareechecorrispondonoacapannecostruiteefrequentatedall'uomoascopodiabitazioneodilavorazionedellaselceeallaspartizionedelcibo.

Unaltroelementodisicurointeresseèuncertosviluppodelleareecerebralidellinguaggioarticolato(areadelBroca,perimuscolidellafonazione,eareadelWernicke,perlacomprensionedellinguaggio),cheèstatodesuntodalcalcoendocranicosulqualesonostateidentificatelerelativeimpronteperl'emisferosinistro.SonoquestidiversielementicheinduconomoltiAutoriaritenerecheconHomohabilissiastatoraggiuntoillivelloumano.

Figura5.Organidellafonazionenelloscimpanzéenell'uomo.

3.Homoerectus

InsostanzialecontinuitàconHomohabilisvavistalafasediHomoerectus,icuipiùantichirappresentantivengonoriconosciutiinOminididell'Africaorientale,vissutiintornoa1,6milionidiannifa.LaloroevoluzioneporteràalleformearcaichediHomosapiens,lacuipresenzavienericonosciutatra200.000e100.000annifa,semprenelterritorioafricanoe,inseguito,neglialtricontinenti.

IlcraniodiHomoerectushatrattianchepiùmassiccierobustirispettoaHomohabilis,specialmentenelleformazionisopraorbitarieenell'occipitale(presenzaditorus),maèpiùcerebralizzato(da800a1100cc).Inoltreèaccompagnatodamanifestazioniculturalipiùprogredite(industriebifacciali,oltreaquellesuciottolo,industriesuscheggiae,infasepiùavanzata,manufattidilavorazioneLevallois).PerleprimeformediHomoerectusdell'AfricaèstatapropostadaWood(1992)ladenominazionediHomoergaster.

Dallaculladell'Africaorientale,doveHomoerectusèdocumentatodavariritrovamentiinEtiopiaeinKenya,specialmenteintornoalLagoTurkanaeinTanzania,eglisièdiffusonelSudAfrica(Swartkrans,Saldanha,Rhodesia)e

nell'Africasettentrionale(AtlantropodiTernifine,Thomas,Salè,Sidi-abder-rhaman,Rabat).

MoltoanticamenteHomoerectussièportatoinAsiaeinEuropa.Perl'AsiairepertipiùnotisonoquellidiGiava,coninumerosiritrovamentidiPitecantropiavvenutidal1891aigiorninostri.UnapartedellastoriadellapaleontologiaumanaèlegataallescopertedeiPitecantropi,chesonostatimessiinluceindiversistrati(dalPleistoceneinferiorealPleistocenesuperiore).Visonorepertididiversamorfologia,alcunisicuramentenonumani(Megantropo),altriumani,conqualcheaspettoprimitivocherichiamaleformedierectusafricane,maconcaratteristicheancheproprie.

L'epocaacuirisalgonoleformepiùanticheèancoracontroversa(1,9o1,2milionidiannifa).Laconnessioneconleformeafricaneèfuoridiscussione;almomentoèritenutamoltoantica.SeadessisiaggiungonoirepertidelSinantropo,rinvenutinellagrottadiChou-kou-tien,nonlontanodaPechino,apartiredal1929(risalentiaun'epocatra450.000e230.000annifa),equellidialtrelocalitàdellaCina(Longtandong,Jinniushan,Yuanmou,Yiyuan,Yiunxian,ecc.)sihal'impressioneditrovarsidifronteaunaevoluzioneacarattereregionale,chehaseguitotappeeritmipropriedèsfociatanelleformediHomosapiensarcaicopresentinellestesseregioniintornoa200.000-100.000annifa.

Perl'EuroparecentiscoperteciportanoadepocheassaipiùantichediquellaacuivenivafattorisalireHomoerectus,conladenominazionediHomoheidelbergensis,rappresentatodallamandiboladiMauer,risalenteacirca600.000annifa.ADmanisi,inGeorgia,sonostatisegnalatiduecranieunamandibolarisalentia1,6milionidiannifa.ACeprano,nelLazio,èstatoscopertouncraniodiHomoerectusdi800.000annifa.NumerosifossiliumanitrovatiadAtapuerca,inSpagna,attestanolapresenzaumananellapenisolaibericanellastessaepoca.Essipresenterebberocaratteristichetalidadifferenziarlidall'erectusafricano,purderivandodaesso,tantocheèstatapropostaladenominazionediHomoantecessor.QuesteformepotrebberoritenersiantenatisiadiHomoheidelbergensise,attraversodiesso,deiNeandertaliani,siadellaformamodernaeuropea.

Figura6.Neandertalianodi"LaFerrassie"(Francia)

Ma,aparteleconnessionifiletichedelleformepiùantiche,lapresenzadiHomoerectusinEuropaèbendocumentatadanumerosirepertichesidistribuisconoinvarielocalitàeinepochediversefinoalleformepreneandertalianedi100.000annifa(Tautavel,Bilzinsgleben,Petralona,Steinheim,Swanscombe,Montmaurin,Fontéchévade,CasteldiGuido,ecc.).

LaculturadiHomoerectusdenotaunsicurolivelloumano.Leindustrielitiche,siaquellebifaccialichesuscheggia,attestanounalavorazioneintenzionalesecondounprecisoprogetto.Sipuònotarel'accuratezzaconcuivengono

ottenutiimanufattiacheuleani(Paleoliticoinferiore),neiqualilalavorazioneèestesaaentrambelefacceeaimarginiconopportuniritocchi.Sipuòcogliere,oltreallafunzionalitàdellostrumento,ilconcettodisimmetriacheicostruttoridiquestaindustriadovevanopossedere.Vengonosegnalatianchestrumentiricavatidaossadianimali.LalavorazionesuscheggiadimostraunperfezionamentomediantelatecnicaLevallois,conlaqualevenivapredeterminatasulnucleolaformadelmanufattochesivolevaottenere.

ConHomoerectussihaancheladomesticazionedelfuocoapartiredaalmenomezzomilionediannifa.Paredocumentatoiltrattamentodicraniperqualcheritualefunerario,forsediantropofagia(adesempionelSinantropo).L'organizzazionedellospazioabitato,siaall'apertocheingrotta,èbeneattestata.L'economia,comeintuttoilPaleolitico,sibasasullacacciaesullaraccolta.Lacacciaaigrandimammiferidovevarichiedereun'adeguataorganizzazione(luoghidimonitoraggio,campibase).

4.Homosapiens

IlpassaggiodelleformedierectusaquellediHomosapiensnonfunetto,magraduale,tantochealcunirepertisonoclassificatitraglierectusevolutiotraisapiensarcaici.Questopassaggiovienecollocatotrai200.000ei100.000annifa.Leformepiùantichedisapiens(Homosapiensarcaico)nonsonoattualmenterappresentate.TraquestevannoinclusiancheiNeandertalianieuropeiedelVicinoOriente,vissutitra100.000e37.000annifa,iqualisisonoestintisenzalasciarediscendenza.Leradicidell'umanitàattuale,oHomosapienssapiens(bennotoneirepertidelPaleoliticosuperioreeuropeo,qualiCro-Magnon,Chancelade,CombeCapelle,ecc.),vengonoriconosciuteinalcunirepertidiuominivissutiintornoa90.000annifainPalestina,alorovoltaderivantidaformeafricanediHomosapiensarcaico.

LosviluppodiHomosapienssapiensapparepiuttostorapido,quasiesplosivo:apartireda35.000annifaessoèpresenteneivaricontinenti,compresal'Americael'Australia.

Figura7.CraniodiHomosapienssapiensdidiQafzeh(Israele).

Èinteressanteosservarecheinalcuneregionilaformamodernasiritrovaaccantoaquellaneandertaliana:cosìinIsraeletrai90.000e40.000annifaeinalcuneregionieuropeeintornoa35.000annifa.Comunquel'affermarsidellaformamodernanonvieneinterpretatodamoltiAutori

interminidievoluzionelocale(almenoinsensogeneralizzatoedestesoatutteleregionidellaterra),mavieneriferitoadiffusionedauncentroafricano.

Laculturadellaformasapienssipresentaassaievolutasianelleindustriesupietraeanchesuosso(specialmentenelPaleoliticosuperiore,questeultime),sianelleraffigurazionidell'arteparietaleemobiliare,sianellepratichefunerariedicuilepiùanticheinumazionisonoriconosciuteaSkhuleQafzeh,inPalestina,risalentia90.000annifaeconiNeandertalianiinEuropaenelVicinoOriente.

Figura8.DuplicesepolturadiunaragazzaediunbambinorinvenutanellagrottadiQafzeh(Israele).

1NeimesiscorsisonostatisegnalatidaPickfordeSenutalcunireperti(frammentidimandibola,omero,femore)ritrovatinelKenyaerisalentia6milionidiannifa,cherivelanoqualchetendenzaversoilbipedismo.SitratterebbediunalineadiversadaquelladegliAustralopiteciconosciutiepotrebbeavereportatoalgen.Homo(cf.Science,23feb.,2001)

Problemiaperti



Introduzione

IDati

ProblemiAperti

Interpretazioni

Letture

ProblemiAperti

Innanzituttovannoricordatiproblemiriguardantilemodalitàeimeccanismievolutiviancoranonpienamentedefinitineppureperlaformazionedellealtrespecie.Ildibattitofracasualitàefinalismoèsempreaperto.Laposizionedeldarwinismoènota.Malacasualitàdelprocessoevolutivosupponesempredellecauseedegliorientamentiolineechedifattovengonoaformarsi.Sulpianostrettamentescientificovisonostudiosichehannoammessounfinalismoglobale,senzaescluderelacasualitàdieventiaccidentali.Nonènecessariocheognimutamentoabbiaunfine.Difattoessi,oalmenoalcunidiessi,hannoconsentitoofavoritoilformarsididirezioniprivilegiatenellaevoluzione.Alcunistudiosiinvocanoleggioproprietàbiologichecheancoranonconosciamo,senonmoltovagamente,perspiegarefenomenicomplessi(adesempio,lamorfogenesi,l'aumentodellainformazionegenetica,ilpassaggiodallamicroevoluzioneallamacroevoluzione,laselezionechepuòrealizzarsisullalineasomaticaoltrechesuquellagerminale,ecc.).

Inognicasovanotatocheilproblemadelfinalismoèfilosoficoeteologicoprimachescientifico.Ganoczi(1997)haosservatochementrelateleonomiariconoscefinalitàparticolarichesipossonoformareperprocessievolutivirispondentialeggidiordinefisicoechimico,anchenonpredicibili,"ildiscorsorelativoaunfineultimodellaevoluzionenonpuòassolutamentecaderenellasferadicompetenzadellascienzaempirica".Inognicasoilfinalismodovrebbeesserevistocome"aposteriori"nonun"apriori".

Perquantosiriferiscepropriamenteall'uomoaltriproblemisiaffacciano.Adalcuni,comequellirelativiall'origineealleconnessionidellalineaHomoconleAustralopitecine,hogiàaccennato.Unaltrograndeinterrogativovienedallarapiditàdelprocessodicerebralizzazione,inforzadelqualenelcorsodipocopiùdiduemilionidiannisiètriplicatoilvolumedell'encefalo.Vengonoinvocatifattoridivariogenere(genetici,nutrizionaliconilcambiamentodelladieta,culturali).Ingenerale,nell'evoluzioneumana,siammettonorimaneggiamentidelgenomadiunacertaentità,chepotrebberoriguardarel'apparatolocomotoreel'encefalo.Ciòsiaccorderebbeconlateoriadegliequilibripunteggiati,propostadaGouldeEldredge,secondolaqualevisarebberostatimomentidirapidemutazioniseguitidafasidistasievolutiva.Inparticolare,secondoTobias(1983),unmomentodirapidaevoluzionesisarebbeavutointornoa2,5milionidiannifaconlaformazionediAustralopithecusboisei,diAustralopithecusrobustuseHomohabilisdalceppodiAustralopithecusafricanus.Dopoquestomomento,l'evoluzionesarebbeandataavantiinmodograduale.Forsesipotrebbesupporreun'accelerazioneintornoai100.000annifaperilprocessodicerebralizzazione,chehaportatoallecaratteristichedell'uomomoderno.

Aquestoparticolareproblemasiriallacciacosìquellopiùampiodeimodellievolutivi.Siammettonoprocessievolutivigradualioanagenetici,maanchemomentidicladogenesichenellaconcezioneevolutivapersalti(confasidirallentamentoodistasiefasidirapidaspeciazione)sifannopiùevidenti.Laloroindividuazionerestaperònonfacile.

Unaltroproblemaècostituitodalleoriginidell'uomomoderno(Homosapienssapiens).

Dueteoriesifronteggiano.Secondolateoriadellasostituzione,laformamodernasisarebbeformatainAfrica,dadovesisarebbediffusaneglialtricontinentiintornoa150.000-100.000annifa,sostituendolepopolazionilocali(H.erectus,iNeandertalianiinEuropa)ivipresenti.Èlateoriadella"sostituzione"(o"dell'arcadiNoè").Questateoria,propostadaalcunipaleoantropologi,siaccordaconevidenzeoffertedallabiologiamolecolare,eprecisamentedallostudiodelDNAmitocondriale,dacuiemergelamaggioreantichitàdelceppoafricanomoderno,chesisarebbediffusoneglialtricontinentiintornoa150.000annifa.Siparlacosìdi"Evaafricana".AdanalogheconclusioniparesiègiunticonanalisidelDNAdelcromosomaY,percuialcuniparlanodi"Adamoafricano".

L'altrateoria,quelladellacontinuità(dettaanche"delcandelabro")sostieneinveceladerivazionedellaformamodernadaHomoerectusnellediverseregionidapopolazionilocali.Aciòinduconoapensareildatopaleontologicoeanchelecontinuitàculturali,specialmenteinalcuneregioni,comeillontanoOriente,comepurecertiritrovamentidell'Esteuropeo.

Figura9.Treipotesisul'originediHomosapiens(daV.BarrielinDossierPourlasciencen.22)

Ilproblemaècomplessoevannoevitatelesemplificazionieccessive.Perquantoriguardal'Europa,siammettelasostituzionedeiNeandertalianiconformeprovenientidalVicinoOriente.AsostegnodiquestaipotesivengonoancheportaterecentianalisidelDNAdirepertineandertaliani,cheescluderebberoiNeandertalianidall'ascendenzadell'uomomoderno.Sequestoèvero,sembraperòdaevitarsiunainterpretazionetropporigidadelladerivazioneafricanacontotalesostituzionedelleformepreesistenti.Paredaammettersiqualchemescolanza,avoltelimitata,altrevolteinmaggioremisura,conleformeesistentisulterritorio.Ciòpuòesseredettosoprattuttoperalcuneregionisiaasiatichecheeuropee.InparticolarevengonosegnalatinelPaleoliticosuperioreperl'Europaorientale(Predmosti,Mladec),perilPortogallo(bambinodiVelho),perl'Estasiaticoeperl'Australiarepertidiformamodernaconqualcheaspettoarcaico.DelrestogliultimiNeandertalianisonostaticoeviconleformemoderneesonovissutiinareefinitime.

Unateoriaintermedia,cheinqualchemodocombinaquelleprecedenti,detta"teoriareticolare",ammetteunacontinuitàregionalemaconpossibilitàdiflussogenicodipopolazionimoderne.

Sipuòritenerechedall'Africasianopartitediverseondatediumanitàneiperiodidellapreistoria.Inoltredebbonoammettersicambiamentimicroevolutivilocaliinrelazioneai

diversifattori,specialmentegeografici.

Figura10.Schemariassuntivocheillustral'evoluzionedellepopolazionieuropee.(DaS.CondemiinNuovaSecondaria,maggio1999)

Unaltroproblemaancorairrisoltoèrappresentatodalleoriginidellinguaggioarticolato.L'importanzadiquestaformadicomunicazionenonpuòesserediscussa.Èunacaratteristicabioculturalespecificadell'uomocheentranellasuastessadefinizione.Poichéillinguaggiononfossilizza,occorrefareriferimentoacaratteristichemorfologichecheattestinolasuapresenza.VisonoAutori,comeLieberman,cheattribuisconoillinguaggioarticolatosoltantoallaformamodernainbaseallamorfologiadipartischeletricheconnesseconlaformazionedeisuoni.Delmedesimopareresonoanchealcuniarcheologichesembranobasarsisulpresuppostochemanchinofinoallaformamodernamanifestazionidichiarosignificatosimbolico,comelerappresentazionidell'arte.Nonmancanoperóaltristudiosicheinbaseadalcuneevidenzediordineanatomicoriconosconoformedilinguaggioancheprimadell'uomomoderno.Cosìl'abbassamentodellalaringe,chesarebbericonoscibilegiàinHomoerectusdallaconformazionedellabasecranica,rappresenterebbeunacondizioneperlaformazionedeisuoni.AdanalogheconclusionigiungonoFalkeTobiasdallostudiodelcalcoendocranicodiHomohabilischerivelauncertosviluppodelleareecerebralidell'emisferosinistroconnesseconillinguaggio(areadiBrocanellacortecciafrontaleeareadelWernickenellacortecciatemporo-parietale,laprimacomeareamotoria,lasecondaperlacomprensionedeisuoni).Seaquesteosservazionisiaggiungonoleevidenzearcheologiche(tecnologie,organizzazionedelterritorio,vitasociale,ecc.)cheattestanounopsichismoriflesso(comesivedràpiùavanti)eformedicomunicazioneadatteaunatrasmissionedelleconoscenze,visonobuoniargomentipersuggerirecheformedicomunicazionelinguisticasimbolicafosseropresentifindalleprimeformeumane.

Interpretazioni



Introduzione

IDati

ProblemiAperti

Interpretazioni

1.Identitàbiologicaeculturaledell'uomo

2.Leoriginidell'uomoedellacultura

3.Ilpostodell'uomonellanatura

Letture

Interpretazioni

1.L'identitàbiologicaeculturaledell'uomo

Chièl'uomo?Èquestaladomandachesiponenonsoltantoloscienziatooilfilosofo,maogniuomo.Eilproblemadellaidentitàdell'uomo,perlaqualesipuòcercareunarispostaanchebasandosisulcomportamentodell'uomo,suciòchelocaratterizzasulpianofenomenologico.Nell'uomoall'elementobiologico,comuneatuttiiviventi,siaccompagnal'elementocomportamentaledinaturadiversa,cioèlacultura.

Lostudiodell'evoluzioneumanaedell'uomopreistoricononèsololostudiodellemodificazionifisiche,maanchedellacultura.Tral'uomoeilmondoanimalevièunacontinuitàbiologicachegiustifical'appartenenzadellaspecieumanaall'ordinedeiPrimatidalpuntodivistatassonomico.Talecontinuitànonescludenovitàepeculiaritàsulpianobiologico,cheappaionoepossonoessereinterpretatecomediscontinuità.AttualmentenonvisonoaltriPrimatichepraticanoilbipedismo.Losviluppocerebraleumano,siainsensoquantitativochequalitativo,èunfenomenouniconelmondodeiviventi.Siritienecheledifferenzetrailgenomaumanoequellodelloscimpanzèsianodell'ordinedel5%,masitrattadivederechecosacorrispondeaquel5%sulpianobiologicoecomportamentale.(Ledifferenzesarebberoancheminori,nell'ordinedell'1-2%sesifariferimentoalleproprietàbiochimiche).Perquantoconcerneipiùantichifossiliumani,lostudiopaleontologicometteinevidenzainHomohabilisalcunielementichefannopensareaqualchediscontinuitàsulpianoanchefisico(adesempiol'aumentocerebraledel40%rispettoagliAustralopiteci).Manonèfacileparlaredidiscontinuità,nonconoscendosituttiipossibilipassaggiintermedi.Misembraperòchel'elementodimaggiorediscontinuitàsiarappresentatodalcomportamento,cioèdalleattivitàcherivelanoun'attitudineculturaleenonsonoriconducibiliafenomeni,proprietàoleggidiordinebiologiconéastrutturebiologiche.Equellocheosserviamoconlacultura,laqualerientrainuncampoextrabiologico.

Sulpianoantropologicoritengochedueelementicaratterizzinolacultura:laprogettualitàelasimbolizzazione.

1.Laprogettualitàsignificalacapacitàdiprogettare,diagireintenzionalmenteconcerticomportamentichetendonoaraggiungereunoscopochecisiprefigge.Laprogettualitàrivelaoriginalità,capacitàinnovativeecreative,siachesiesprimanellalavorazionediunaselceonellacostruzionediunriparoonellamanipolazionedeglialimenti.Èquellocheavvienenellatecnologia,chepuòesserestrumentale,abitativa,alimentare.Latecnicanonèsconosciutanel

mondoanimale.Pensiamoalcastorochecostruisceledighe,oall'apechecostruiscecelleesagonalidialtissimaperfezione,oagliuccellichecostruisconoilnido.Mainquesticasinoncisonoinnovazioni,nonc'èunprogresso.SitrattadicomportamenticheappaionofissatidalDNAodall'imprinting.Mancaunaintelligenzaditipoastrattivo,chehalacapacitàdiproiettarsinelfuturo,diprogettare,diinnovare,diconservare.

2.Lasimbolizzazioneèun'altracaratteristicaessenzialedellacultura.Lacapacitàsimbolicaconsistenell'attribuireaunsegno,aunsuono,aunoggettounvalore,unsignificatochevaoltreilsegno(adesempio,ungrido,comereazioneaunostimolodoloroso).Mediantelasimbolizzazionevengonoarricchitedivalorilerealizzazionidellatecnica.Laprogettualitàsilegaallasimbolizzazione.Infatticióchevieneottenuto,oltrearispondereaunprogetto,assumeunvaloredisegnoorichiamoaqualcheutilizzazioneoimpiego.Lostrumentoacquistaunvaloreinquantostrumento,perchérichiamalafunzioneallaqualeèdestinato.Sipuòparlaredisimbolismofunzionale,perchélostrumentoassumeunsignificatonellasuaoggettività,inquantorimanda,nell'intenzionedichilocostruisceenellamentedichiloosserva,aunautilizzazioneofunzioneparticolareogenerale(adesempioiltagliare,ilraschiare).

Inoltrevisonoespressionidisimbolismocheconsentonodicomunicare,distabiliredellerelazioninonsoltantoconriferimentoimmediatoastatiemotivi,maancheasituazionilontaneneltempo(memoriadell'eventoeproiezionesulfuturo).Essesicollocanonellasferadelsociale,dellacomunicazioneinterpersonale.Ciòsirealizzasianellerisposteabisognibiologici,chevengonoarricchitedinuovisignificati(l'abitohafunzioneprotettivaedirichiamooestetica;lamensaèunmodopersoddisfarebisognibiologici,maanchedicomunicazione,ecc.),siainmododeltuttopeculiaremedianteillinguaggio,lascritturaealtreformedicomunicazionechecostituisconoisistemisimbolicidicomunicazione,caratteristicidellesocietàumane.Mediantelaparolasirealizzaunacomunicazioneinassenzadellecoseacuicisiriferisce,astraendodaciòchecadeimmediatamentesottoisensi.Ècosìcheavvienelacomunicazionedelpropriomondointerioreedelleproprieesperienze.Lacomunicazionesimbolicamedianteillinguaggiorappresental'ambienteincuisistringonoirapportisocialiesiformanonuovisistemidicomunicazione.Questeformedicomunicazionerientranoinunsimbolismosociale.

Infinevièunsimbolismoincuilacomunicazioneriguardal'interioritàdellapersonasenzaparticolarirelazioniabisognioeventi.Sipuòtrascendereladimensionebiologicaeilbisognosociale,quandocisiportanellasferadell'arte,dellareligioneedell'etica.Inquesticasisipuòparlaredisimbolismospirituale.Possonoesserciancheespressionichehannoqualcheriferimentoallavitabiologicaesociale,masihaindipendenzaetrascendenzarispettoalbisognobiologicoesociale.

Lasimbolizzazioneavvolgelavitadell'uomo.Cióvadettosiaperl'uomoattualecheperl'uomodelpassato.GiustamenteDeacon(1997)parladell'uomocome"speciesimbolica".

Progettualitàesimbolizzazionevannovistecongiuntamente,comeespressionidell'intelligenzaumanaastrattivaedellopsichismoumano.Essecostituisconoilnucleoessenzialedellacultura.Inoltre,proprioinquantoespressionicreative,possonosvilupparsiedaccrescersinellelororealizzazioni,chevengonotrasmessenellasocietàperviaextraparentale.Sequestaèlacultura,dobbiamoancheritenerechesihasolonell'uomo,equindièunlinguaggioimproprioquellocheattribuisceaglianimaliunacultura,ritenendoculturaqualunquecomportamentoappreso,ancheperimitazioneoperapprendimentocasuale,enonereditatobiologicamente.

Ciòchecaratterizzalaculturaèespressionediuno

psichismocheèautocoscienza.Lopsichismoumanoèanchepercezionedeltempo,nonsolocomememoriadelpassato(ancheglianimalipossonoaverla),macomeprevisioneeprogrammazionedelfuturo.Lacapacitàprevisionaleèpropriadell'uomoeportaallaconservazioneealmiglioramentodeisuoiprodotti.Essasignificaaperturaversounfuturodaconoscereedacostruirecoscientementeeliberamente,anchepredisponendotecnicheadeguate.

Questoatteggiamentointerioreèrivelatodalcomportamento,daisegnichecifannocoglierequestepeculiaritàdell'uomo,inunaparoladallemanifestazioniculturali,inunapprocciochepotrebbedirsinonfilosofico,mapiuttostofenomenologicoopropriamenteantropologico.Lopsichismoriflessononfossilizza,maseneconservanoletracce,perl'uomopreistorico,comeperl'uomodioggi.Ecosìchel'uomosidistinguedalleformenonumane,incuinonc'èprogettualitàné‚simbolizzazione(ancheseneglianimalisonodescrittiatteggiamentichesimulanoqualcosadianalogo).

2.Leoriginidell'uomoedellacultura

Leoriginidellaculturacomequelledell'uomosonoavvolteinuncertomisteroooscurità.Quandonell'Ominidesimanifestalacapacitàdiprogettoedisimbolismoèsegnochelascintilladell'intelligenzasièaccesainlui.Maquandociòèavvenuto?Quandopossiamoritenereditrovarcidifronteamanifestazionichelascianointenderecapacitàdiprogettoedisimbolizzazione?

Èilproblemadellaindividuazionedellasogliaumana,unodeipiùarduidellapaleoantropologia.Dobbiamoriconoscerecheleoriginidell'uomoedellaculturasonoavvoltenell'oscuritàpiùprofonda.TeilharddeChardindicechel'uomofailsuoingressosullascenadelmondoinpuntadipiedi.Quandolovediamoègiàunafolla,senzadirecheladocumentazionechecièpervenutanellesuefasiinizialiècertamenteassaiscarsaeframmentaria.Occorrefareriferimentoairepertiosseieallemanifestazioniculturali.

Espressionidiculturasitrovanonellastoriaevolutivadell'uomononsolonellefasirecenticonHomosapienscheseppellisceimortieaffrescaleparetidellegrotte,maancheconHomoerectuseHomohabilis.Giàsonostatericordatelemanifestazioniculturalicheaccompagnanoleformeumanepiùantiche.Essesonocostituiteessenzialmentedaindustrielitiche,datestimonianzesulmododivitachedepongonoperunopsichismoumano.L'uomofaberèanchesapiens,sirivelasapiensnell'esserefaber,ancheapartiredall'industriasuciottolo.Essa,nellasuavarietà,rivelaunaprogettualitàe,indirettamente,ancheunacapacitàastrattivasimbolica.

Quellocheimportaèilsignificatochelostrumentoassumenell'immaginariodelsuoartefice,ilqualenonsiaccontentadell'usoimmediato,maloconservaeloperfeziona.L'uomotecnologico,costruttorediutensili,èancheinventoredisimboli,symbolicuseloquens:lastessatecnologiavienetrasmessamedianteillinguaggio.

Figura11.Inalto.BifaccialidelgiacimentodiCasteldiGuido,risalentialPleistocenemedio(daF.FacchiniinNuovaSecondaria,maggio1999)Inbasso.Ca'BelvederediMontePoggiolo.Rimontaggiodallostrato109n.1;scheggenn.5,7(str.107);ciottolischeggiatinn.2(str.107),3(str.108),4,6,(str.103).(daAA.VV.,IlsitodiCa'BelvederediMontePoggiolo.InQuandoForlìnonc'era,Abaco,Forli,1996)

Quellocheconvincedipiùsull'antichitádellaformaumana,oltreallostrumentoinsé(nonc'èun"usaegetta",comeinalcuniPrimaticheutilizzanopietreobastoni),èilcontestoincuisirealizzanoevengonoutilizzateletecniche,èlacontinuitàeilprogressochesiosservanonelleindustrieliticheenellaorganizzazionedelterritorio,nelleformechesisusseguonodaHomohabilisaHomoerectuseHomosapiens.

Figura11.BifaccialeinselcedelperiodoAcheuleano.Alcentrounfossilebivalve(Norfolk,Inghilterra).

Laculturaentracomeelementodeterminanteneiprocessidiadattamento,modificandol'ambienteemedianteaccorgimenticheadattanol'organismoall'ambiente.Sialacapacitàprogettualecheilsimbolismo-nellatecnologia,comenellavitaenell'organizzazionesocialeenellinguaggio-rappresentanofattoridiadattamentodell'ambienteall'uomoedell'uomoall'ambiente.Mediantelaculturasiallentalaselezionenaturale,anchesecontinuaadoperare.

Rispettoallealtrespeciel'uomovacontrocorrente,perchéinnestaaltrestrategieadattativeedevolutive,contrastando,inqualchemisura,lastessaselezionenaturaleaifinidellasopravvivenza.Sel'uomoèsopravvissutorispettoagliAustralopiteci,chesisonoestinti,èstatograzieallacultura(Coppens).

Figura12.FrammentoditibiadielefanteconsegniintenzionalitrovatanelsitodiBilzinsgleben(Germania)

Laculturarappresental'ambientedellaspecieumana.L'uomonasce,viveecresceinunacultura.Realizzailsuorapportoconl'ambientemediantelacultura.Essarappresentaunaveraspecializzazionesulpianoecologicoecaratterizzailrapportotroficoefunzionaledellaspecieumanaconl'habitat,cioè"lanicchiaecologica"dellaspecieumana.Inquestosenso,emblematicamente,abbiamopropostodidefinirelacultura"nicchiaecologicadell'uomo".

Laculturapuòesserevistaanchecometrascendimentoevolutivo.L'ideasiriallacciaalpensierodiDobzhanskysullalineadellaconcezionediTeilharddeChardin.Secondol'Autore,èdaammettersiunadiscontinuità,untrascendimentoevolutivonelpassaggioallaformaumana.Infattileregoledellasocietàumananonsonopiùquellebiologiche,purcontinuandoleleggidiordinebiologico.Riteniamochequestadiscontinuitàsiadaricollegarsiessenzialmenteallacultura.Essaèstatapreceduta,secondoDobzhansky,daunprimotrascendimentochesièavutonelpassaggiodalmondoinorganicoallastrutturavivente.Lasingolaritàdell'eventoumano,proprioamotivodellacultura,vienericonosciutaanchedaaltrisostenitoridelneodarwinismo,tracuiricordoAyala.

Laculturadiventarivelatricedell'umanonell'uomo,diciòcheèspecificodell'uomo,econsistenellasuaattitudineallacultura,resapossibiledallopsichismoriflesso,qualichesianolemanifestazioni.Ciòpuòessereaffermatosulpianofenomenologico.Laspiegazioneultimadiquestoatteggiamentocheesprimeunadiscontinuitàontologicapotràesserericercatainunavisionefilosoficadell'uomoapertaallaspiritualità.

3.Ilpostodell'uomonellanatura

Nellaconcezionedeldarwinismorigoroso,l'uomo,comeogniessereviventecheèdeterminatodallepiccolevariazionicasualidellespecie,èuneventodeltuttofortuito.L'uomosi

trovadetronizzatodallasuaposizionealverticedelcreato.Unavisionefondataunicamentesullacasualitàesullanecessità,escludendoaltriapprocciscientificiefilosoficialfenomenoevolutivo,diventaunaconcezionetotalizzanteemiticadellaevoluzione,chepretendedispiegaretuttalarealtà,nelsuoesistereenelsuodivenire,interminiunicamentemeccanicistici.L'uomovienevistocomeunadelletantespeciedelmondoanimaleincompetizioneconlealtreoconl'ambientenellalottaperl'esistenza.Ebbenequestariduzionedell'uomoaunadelletantespecie,casualmenteformatasi,malesiaccordaconlastoriaevolutivacheevidenzianellalineaumanaunaparticolaredirezioneevolutiva,comesostenutodamoltistudiosiesuggeritodalPrincipioantropico.

Sesiguardaagliultimimilionidiannisivedechenell'evoluzionedeiPrimatisidelineaunadirezioneevolutiva,caratterizzatadaunamaggiorecomplessitànellacerebralizzazione-comehaosservatoTeilharddeChardin-eculminantenellaformaumana.HaosservatoJeanPiveteau(1983):"Senonsipuòaffermarecheilsuoeventoerainevitabile,essoèstrettamentelegatoalmovimentoevolutivo,alsuosviluppo,allesuecaratteristiche.Nonsipuòdirechequestomovimentosialacausadell'uomo,maquestiapparepropriocomelasuaconseguenzanaturale".Tuttosisvolgecomesel'uomorappresentiilpuntoculminantedituttal'evoluzionecosmicaebiologica.

NotaancoraaquestopropositoilPiveteauinun'altrasuccessivaopera(1996):"L'uomoavevacredutountempodiessereilcentrodelmondo;poiglisembròdinonaverenessunamisuraconlanatura,trovandosisperdutoinunangolodell'universo.Lapaleontologiaglirestituisce,inunanuovaforma,unapreminenzaincuinoncredevapiù...".

Infineun'ultimaosservazione.Nonèsololapaleontologiacherestituisceall'uomounasuapeculiaritànelmondodeiviventi,maanchel'ecologia,inquantoessachiamaincausalasuaresponsabilitàinordineatuttol'ecosistema.Lanaturaelefunzionidell'essereumanodifferisconodaquellediognialtraspecieperaspettichenonsileganodirettamentealDNA.Laculturarappresentalaveraspecializzazionedell'uomoenonèparagonabileaparticolariorganiconsignificatoadattativo,qualisiosservanonelmondoanimale(adesempiolepinneneipesciolaproboscidedell'elefante),comequalcunoharitenuto.Conlaculturacisitrasferiscesuunaltropiano.Conl'uomosièinnescatanellastoriadeiviventiunamodalitàdeltuttonuova,rappresentatadall'autocoscienzaedallacultura.Diquilesueresponsabilitàinordineall'ambienteealsuofuturo.Lapaleontologia,comeanchel'ecologia,ricollocanol'uomoinunaposizioneunicanellanatura.

Letture



Introduzione

IDati

ProblemiAperti

Interpretazioni

Letture

Letture

*J.F.Ayala,"BiologicalEvolution:anintroduction",inAnevolvingdialogue:scientific,historical,philosophicalandtheologicalperspectivesonevolution,JamesB.,MillerEditor,Washington,1998,pp.10-53;

*J.F.Ayala,Evolutionandtheuniquenessofhumankind,Origins.CNSdocumentaryservice,Feb.1998,pp.567-574;

*J.F.Ayala,"Evolutionandrationality:NaturalSelection,TeleologyandNovelty",inScienzaeconoscenza.Versounnuovoumanesimo,(acuradiF.Facchini),Ed.Compositori,Bologna,2000;

Y.Coppens,Ominoidi,Ominidi,Uomini,JacaBook,Milano,1988;

Y.Coppens,Pre-amboli.Iprimipassidell'uomo,JacaBook,Milano,1990;

Y.Coppens,LegenoudeLucie,OdileJacob,Paris,1999;

T.W.Deacon,Thesymbolicspecies.Theco-evolutionoflanguageandthehumanbrain,PenguinBooks,1998;

Th.Dobzhansky,Ledomandesupremedellabiologia,DeDonato,Bari,1969;

*D.Falk,CerebralcorticesofeastAfricanearlyHominids,inScience,222,1983,pp.1072-1074;

F.Facchini,Ilcamminodell'evoluzioneumana,JacaBook,Milano,1985(IIedizione);

F.Facchini,Evoluzioneumanaecultura,Ed.LaScuola,Brescia,1999;

F.Facchini,PremesseperunaPaleoantropologiaculturale,JacaBook,Milano,1991;

*F.Facchini,"Ilsimbolismonell'uomopreistorico.Aspettiermeneuticiemanifestazioni",inRivistadiScienzePreistoriche,1998,XLIX,pp.651-671;

*F.Facchini,"Leoriginidell'uomo:vedutescientificheattualieistanzeteologiche",inRivistadiTeologiadell'Evangelizzazione,IV,7,2000,pp.127-145;

A.Ganoczi,Teologiadellanatura,Queriniana,Brescia,1997;

*P.Lieberman,"Ontheevolutionofhumansyntactichability.Itspreadaptivebasesmotorcontrolandspeech",inJournal

ofhumanevolution,14,pp.668-675;

*J.Piveteau,Origineetdestinéedel'homme,Masson,Paris,1983;

J.Piveteau,Lacomparsadell'uomo,JacaBook,Milano,1994;

*Ph.Tobias,"Recentisviluppinellaconoscenzadell'evoluzionedegliOminidiconparticolareriferimentoall'encefaloeallinguaggio",inL'EvoluzionedeiPrimatiacuradiC.Chagas,JacaBook,Milano,1987(tr.da"RecentadvancesintheevolutionofPrimates",CittàdelVaticano,1983);

*Ph.Tobias,"ThebrainofHomohabilis:anewleveloforganisationincerebralevolution",inJournalofHumanEvolution,1988,pp.741-761;

*J.Jelinek,"WasHomoerectusalreadyHomosapiens?",inLeprocessusdel'hominisation,85-90,EdCNRS,1981;

*B.Senut,"LesbipédiesdesHominidés:origineetsignificationsadaptatives,systématiquesetphylogénétiques",inThefirsthumanandtheirculturalmanifestations(Ed.byF.Facchini),Coll.VIIandVIII,XIIIInt.Congr.UISPP,Abaco,Forlì,1996;

*B.Senut,D.Gommery,"LebipediedegliOminidi",inNuovaSecondaria,15maggio,1999,26-30.

Perunaggiornamentosull'evoluzioneumanasirimandaanchealfascicolo"L'evoluzioneumana"diNuovaSecondaria,15maggio1999,curatodaF.FacchiniconcontributidiSenut,Gommery,Condemi,Malgosa,pp.21-39.


http://www.unipv.it/webbio/anitmuse.htm

http://home.worldnet.fr/~clist/Anthro



IPianetiextrasolariRobertoBedogni

Introduzione

LastelladiBarnard

Ladistinzionetrastelleepianeti

Laformazionedeisistemiplanetari

Lascopertadeipianetiextrasolari

ClassificazionedeiPianetiextrasolari

Conclusioni

Catalogodeipianetiextrasolariconfermati

Introduzione

IlnostroSistemasolareesiste!Daquestosempliceedirrefutabilefattosipuòpartireperchiedersisenell'Universo,oalmenonellaGalassia,esistanoaltrisistemiplanetari.Finoapochiannifa,conlanotevoleeccezionedellastelladiBarnard,acuiaccenneremonelparagrafoseguente,l'esistenzadeipianetiextrasolarierarelegataalregnodellafantasia.Nonostantelamancanzadiun'evidenzadiretta,cisipuòchiedereperqualimotivieraedèragionevoleipotizzarel'esistenzadisistemiplanetariesternialnostro.Duesonoleconsiderazioniallabasediquest'ipotesiechefannodapremessaallalororicerca:laprimaèpuramentestatistica,lasecondainveceèoperativa.

LamotivazionestatisticasibasasullostraordinarionumerodipossibilitàcheilnostroUniversooffreperlanascitaelosviluppodisistemiplanetariintornoastellesingoleomultiple.L'Universocontienealmenocentomiliardidigalassieognunadellequalipossiedemiliardidistelleche,nonèaffattoimprobabile,conterrannosistemiplanetarisimilialnostro.Combinandoifattoridiquestocalcolostatisticosiarrivaallastraordinariacifradi1020sistemiplanetarinell'interoUniverso.Nonsolonepossonoesistereinunnumerocosìgrandema,supponendocheilritmodiformazionedellestellee,attornoadesse,deipianetisiauniformeneltempo,avendol'Universoun'etàstimatadiapprossimativamente15miliardid'annieccoche,conuncalcolounpo'arditomatuttosommatonontroppofantastico,sipuògiungereallaconclusionecheognioranascanounmilionedisistemiplanetari.

Matorniamocon"ipiediperterra"(l'affermazionepuòancheesserepresanelsuosignificatoletterale)echiediamociseèeffettivamentepossibileosservaredeipianetiextrasolari.L'astronomorivolgelasuaattenzionesoloaciòcheèingradodiosservarepercui,essendoirraggiungibiliisistemiplanetaridellegalassieesterne,silimitaadunaricercanei"dintornidelSole":unaregionedellaViaLatteacompresainunraggio,alpiù,di100parsec.Lapossibilitàd'osservazionedipianetiextrasolari,dopoun'attesadicirca50anni,haavutonel1995unnuovostraordinarioimpulsodiventandounodeipiùpromettentisettoridellaricercaastronomica.

LastelladiBarnard



Introduzione

LastelladiBarnard





Conclusioni


LastelladiBarnard

Primadidescrivereglistraordinaririsultatidiquestiultimianni,dedichiamounpo'diattenzioneal"caso"dellaStelladiBarnard.Nelsettembredel1916apparve,dapprimasull'AstronomicalJournale,pocodopo,suNature,unarticoloriguardantelascopertadiunastella,apparentementeinsignificante,chetuttaviamostravaungrande"motoproprio".Lonotòl'astronomoE.E.Barnarddacuilastellapreseilnome.LastelladiBarnardhaunmotopropriodi10,29secondid'arcoperanno(cioèunmotoangolareapparentesullasferaceleste)e,comesivedenellaFigura1,lastellasièspostatain47anniinmodosignificativosullosfondodellasferaceleste.DalmomentocheèlastellapiùvicinaanoidopoAlphacentauri,solo5,97anniluce,questastellaricevetteleattenzionidiPetervandeKamp,unastronomodelloSproulObservatorydelloSwarthmoreCollege.Iniziòunlunghissimolavoro,conunaseriedimigliaiadilastrefotografichepreseinunarcoditempodioltre40anni,dedicateallaricercadipossibilivariazioninellasuatraiettoria.Infatti—edinquestoconsisteil"metodoastrometrico"—lapresenzadiipoteticipianetiextrasolarihauneffettoindirettosullaposizioneapparentedellastellaattornoacuiorbitano.Dalwobbledellastella,cioèdaunleggeroeminimosfarfallionellasuaposizioneapparente,èpossibilededurrelamassadelpianetaodeipianeticheorbitanoattornoadessa.

Figura1.NellafotoasinistralaposizionedellastelladiBarnard(indicatadallafreccia)nel1950;adestralaposizionenel1997inconseguenzadiunmotoproprioannuodi10.29"(secondid'arcoperanno).

VandeKamp,dopodecennidiosservazioni,giunseallaconclusionecheduepianetiorbitavanoattornoallastelladiBarnard,unodi0,7el'altrodi0,5massediGiove(inquestoarticololaunitàdimassadiriferimentoperipianetièlamassadiGioveMG=1,90x1030xg=317MTx0,001MS.)LascopertadiVandeKampservìamantenerevivoildibattitosull'esistenzadeiPianetiextrasolari,ancheselesuemisurevenneroritenuteviziatedaerrorisistematicierigettatedallamaggiorpartedellacomunitàscientifica.Nonostantelacontinuadiatribaconlacomunitàastronomica,lasuaostinazioneèstatainpartepremiatanel1995quandoGatewood,inbaseamisureindipendenti,

suggerìchedelleNaneBrune,stelleperònonpianeti,potevanoeffettivamenteorbitareattornoallastelladiBarnard.

Primadipassareallarassegnadeirisultatidiquestiultimianni,ènecessariocercaredicapirecomesièformatoilSistemasolareeseglistessicriterifisico-chimici,chestannoallabasedellasuaformazione,sipossonoestendereancheallaformazionediipoteticisistemiextrasolari.Laprimadomandachecisiponeècomesidistinguonoipianetidallestelle.




Introduzione

LastelladiBarnard





Conclusioni



Finoaqualchedecenniofa,unpianetaeraintesocomeuncorpocelestechenonemettelucepropriamariflettequelladellastellacheloillumina.InrealtàquestadistinzionesirivelòinadeguataperipianetigigantidelSistemasolarecheemettonopiùradiazionediquantanericevanodalSole.Diconseguenzaoccorrevatrovareunnuovocriterioperdefinireun"pianeta"cometale,oppureclassificareipianetigiganticome"stelle".Siritenneopportunocambiareladefinizionedistellaintendendolacomeunoggettoautogravitanteche,durantelasuaevoluzione,abbiaprodottolasuaenergiainternatramitelereazioninucleari.Alcontrariosidefiniscepianetauncorpocelestechenonsaràmaiingradodiinnescarelereazioninucleari.

Lateoriadell'evoluzionestellaremostrachelamassaminimaperprodurrel'innescodellereazioninuclearidell'idrogenoèdicirca80MG.Ulterioristudiperòhannoridottoquestovalore,inquantosièdimostratocheunoggettoceleste,conunasufficientequantitàdideuterio,puòinnescare,perreazioneconl'elio,ilbruciamentodell'idrogenoancheselamassaèdisoltanto10MG;quest'ultimovalorevienequindiassuntocomelimitesuperioredellamassadiunpianeta.Secondoquestocriterio,imponendoilconfinetrastelleepianetiall'1%dellamassadelSole,sipossonoconsideraretali,cioèpianeti,ancheipianetigigantidelSistemasolare,chepurmantengonounafonte(nontermonucleare)dienergiainterna.

Un'ulteriorepossibilitàècollegataalladistinzionesulleorbite.Mentrelestellehannoorbitecircolarisiritienecheipianetiabbianoorbiteeccentriche.Ilcalcolodell'eccentricitàdelleloroorbiteèquindifondamentalepereffettuareunaselezionetrastelle,conmasseallimitedelle10MG,epianetiextrasolari.Inparticolareglioggetticelestisonoritenutipianetisehannoeccentricitàmaggioridi0,1.Quest'ultimocriterioèmoltodelicato,infattilamaggiorpartedeipianetidelSistemasolarehannoorbitequasicircolariconeccentricitàminoridellimiteprecedentementefissato,percuimentreillimitesullamassaècertamentevalido,quellosulleeccentricitàdelleorbiteprestailfiancoadubbiediscussioni.




Introduzione

LastelladiBarnard





Conclusioni



Èimportante,percapirelaformazionedeisistemiplanetari,distingueretrastellesingoleemultiple,adesempiobinarie.

Nelcasodisistemistellarisingoli,persistemaplanetarios'intendeunsistemacheèlegatogravitazionalmenteeche,oltreadesserecostituitodaunastellacentrale,presentaalmenoduepianeticheleorbitanoattorno.IlSistemasolarepresentaunastrutturanongerarchicanelladistribuzionedeisuoipianeti,poichétuttienoveruotanosuorbitequasicircolariattornoalSole,unastellasingola

Considerandoinvecesistemistellarimultipli(adesempiobinari),ipianetipotrebberoalorovoltaruotareattornoalcomunecentrodimassa,producendounastrutturagerarchicaconunasituazionemoltopiùcomplessaedovuta,probabilmente,adunmeccanismodiformazioneplanetariacompletamentediverso.DiquestastrutturagerarchicasihaunesempioanchenelnostroSistemasolareinquantoilsatellitediPlutone,Caronte,èdimassaedimensioniparagonabiliaquelledelpianetaprincipaletaledacostituireunsistemadipianetidoppio.SiritieneperòchetaleconfigurazionenonsiadovutaalmeccanismooriginariodiformazionedelSistemasolaremaallacatturadiunasteroideesternoall'orbitadiPlutone.

OgniteoriadiformazioneplanetariadeveessereinaccordoconleosservazionieinparticolareconlateoriadellaformazionedelSistemasolare.SecondoquantosièvalutatoperilmeccanismodiformazionedelSistemasolarepossiamoritenerechelaformazionediunastellaedelsuoeventualesistemaplanetariosisvolgaintrefasiprincipali.Laprimaconsistenelcollassodiunanubemolecolare,dacuisioriginaunaprotostella,circondatadaundiscodigasepolverichesiestendefinoa100U.A.(U.A.=UnitàAstronomica),lacuidurataèdicirca100.000anni.Laseconda,nell'aggregazionedigasepolverisullastellacentrale,cheportaallaformazionediunastelladisequenzaprincipaleche,asuavolta,innescalereazioninucleariedeterminaunaridistribuzionedelmaterialeinunastrutturaaformadidiscocontempichevarianoda10a100milionidianniLaterzaèlaformazionediunanebulosastellarequiescenteche,inseguito,accumulandosiulteriormente,daràluogoaipianeti:iltempopercompletarequestostadiofinaleèmoltopiùlungo,finoa200milionidianni.




Introduzione

LastelladiBarnard




Letecnichediosservazionedeipianetiextrasolari

Le"NaneBrune"


Conclusioni



Veniamofinalmenteallarassegnadeirisultatiedellescopertepiùrecenti.Finoapochiannifanonc'eranoprovedirettedell'esistenzadipianetiinorbitaintornoastellecheassomigliasseroalSole,salvoildubbiocasodellastelladiBarnard.

Nell'ottobredel1995M.MayoreD.Quelozdell'OsservatoriodiGinevraannunciaronolascopertadiunpianetadigrandemassaattornoallastella,ditiposolare,51Pegasi.PochimesidopoancheG.W.MarcyeR.P.ButlerdellaSanFranciscoStateUniversityedellaUniversityofCalifornia,Berkley,riferironodell'individuazionedialtriduecorpiinorbitaintornoastelledellostessotipo:47UrsaeMajorise70Virginis.Daallorasinoadoggiilnumerodipianetiextrasolariharaggiuntolaragguardevolecifradicinquanta!

Letecnichediosservazionedeipianetiextrasolari

Maprimadientrarenelladescrizionedel"bestiario"deipianetiextrasolarinoti,vediamoqualisonoimetodiperindividuarli.Duesonolepossibilitàprincipali:orivelareipianetiindirettamente,tramiteeffettifisicicheneprovinol'esistenza,oppureosservarlidirettamenteconleimmaginiastronomiche.

Larilevazioneindiretta.Lastellaprincipalediunsistemaextrasolareècertamentevisibile,el'ipoteticopianetasipuòindividuareinbaseaglieffetticheprovocasullastellaprincipale.Duesonoiprincipalimetodiindiretti:quelloastrometricoequellospettroscopico;aquestiduevaaggiuntalafotometriaaterra,chestarivelandosisemprepiùinteressanteinquestiultimianni.Tuttequestetecnicherivelanoglieffettigravitazionalichelapresenzadelcompagnoplanetariodeterminasullastella,inconseguenzadelloromotoattornoalcomunecentrodimassa.

Larilevazionedirettanonserve,senoninalcunicasiparticolari,perlascopertadeipianetiextrasolarima,unavoltascoperticonmetodiindiretti,permettedistudiarnealcunecaratteristichepeculiari,adesempiolapresenzadellamateriadiffusaintornoallestelle.

Entrambiquestimetodihanno,almenoperora,ungrandelimite:nonsonoingradodiindividuarepianetiextrasolariditipoterrestre.

Ilmetodoastrometrico.Questatecnica,cuiabbiamogiàaccennatoprecedentemente,sibasasullostudiodelmotoapparentedellestelleproiettatosullavoltaceleste.LestellepiùvicinealSolemostrano,inundatoperiodo,unmotopropriomaggioredellestellelontane,cheinveceappaionoimmobilinelcielo.Laricercadeipianetiextrasolari,effettuatamediantel'astrometria,richiedeunamisuraaccuratadellaposizionedellastellaperunlungoperiododitempocosìdaverificareseilsuomotoproprioèlineareose

invecepresentadelleoscillazioniprovocatedallapresenzadieventualicompagni.Questatecnicaforniscerisultatiottimalinelcasodisistemiplanetariinstellevicineeconpianetimassicciorbitantilontanodallastellaprincipaleeconorbitedilungoperiodo.L'estremadifficoltàdiquestemisureèmessainevidenzaricordandocheunpianetadi"tipoterrestre"inorbitaattornoadunaltrosolerichiederebbe,peressererilevato,misuredimotoproprioconunaprecisionediunmilionesimodisecondod'arco:benaldilàdellepossibilitàosservativeattuali.

Ilmetodospettroscopico.Letecnichespettroscopichesonobasatesullemisuredeglispostamentiversoilbluoversoilrosso,pereffettoDoppler,dellelineespettrali,particolarmenteintense,osservatenellospettrodellastellaprincipale,esonoquellechehannodatoirisultatipiùinteressanti.

Lastella,acausadelmotoorbitaledell'eventualepianeta,presentaunavariazionedivelocitàradialeconampiezzadatadallaseguenteformula:

dove:Vr=variazionedellavelocitàradialeinm/s,M*=massadellastella(inunitàdimassesolari),mp=massadelpianeta(inunitàdimassesolari)P=periododell'orbitadelpianetainanniedi=inclinazionedell'orbitadelpianetarispettoalpianodelcielo.

Sitengapresenteladifferenzanellamisuradellevelocitàradialiperipianetiextrasolari.Infatti,mentreperlospostamentoversoilrossodellegalassielontaneilvalorediVrèosservatoinkm/s,nelcasodioggettiplanetarilamisuraèmoltopiùdifficileinquantolimitataapochedecinedim/s!

Laspettroscopiadellerighedellestellefornisce,tramitel'effettoDoppler,ilvaloredellavelocitàradialesecondolaseguenteformula:

dove èilvaloredellospostamentodellerighedellospettrocausatodalmotodelpianeta(rispettoallalunghezzadiondaariposo),eclavelocitàdellaluceLospostamentoDopplersiricavadalleosservazioni,ancheseènecessario"ripulirlo"daglieffettiditurbolenzadell'atmosferadellastella.Questorichiedeunbuonmodellodelleatmosferestellariinmododacalcolare,epoisottrarre,questacomponentedall'effettototale.Ilperiododell'orbitaPsiricavadall'andamentodellacurvadivariazionedellavelocitàradialeneltempo,percuiilvalorechesiricavadallaformula1,èilprodottotralamassadelpianetaedilsenodell'inclinazione(mpsini).Attenzione:siricavadirettamentelamassadelpianeta,solonelfortunatocasoincuiilpianodell'orbitadelpianetaattornoallastellasiaperpendicolarealpianodelcielo!Daquil'incertezzasuivaloridellamassadelcandidatopianeta.

Figura2.Èunistogrammadelladistribuzionedimassaperipianetiextrasolariosservati.Sull'assedelleordinatesitrovailnumerodipianeti,mentresuquellodelleascisseilprodottompsinicheèilvalorecalcolatoinbaseall'effettoDopplerconilmetodospettroscopico.Sipuònotarecomeladefinizionedell'inclinazioneitrailpianodell'orbitaedilpianodelcielopuòinfluireinmododeterminanteilcalcolodelvalorerealedellamassadelpianeta.

Quantoèdifficileosservareunpianetaextrasolare?Dipendedalladistanzadellastellaedallamassadelpianeta.Adesempio,seilSolefosseosservatodaunadistanzadi10parsec,unpianetadellamassadiGiovemostrerebbeunavariazionesinusoidalenell'ampiezzadi13m/sinunperiodoorbitaleugualea12anni.NelcasodiUranorisulterebbedi0,3m/sinunperiododi84anni,mentreperunpianetadellamassadellaTerrasarebbedi0,09m/sperunperiodoorbitaledi1anno.Sitrattadipiccolevariazionicherendonoquasiproibitivalaricercadipianetilontaniesoprattuttoditipoterrestre!

Ilimitidiquestiduemetodi,astrometricoespettroscopico,sonoriassuntinellaFigura3.Insostanzanonsipossonorivelarepianeticonraggioorbitalemaggioredi10unitàastronomiche(comeUranoeNettunodelnostroSistemasolare)inquantorichiedonoperiodidiosservazionetroppolunghinéconraggioorbitaleminoredi0,03unitàastronomiche,siaperchélemareedellastellacentraledistruggerebberoipianeti,siaperchéessipotrebberoessereinglobatinellaatmosferadellastellaprincipale.Ricordiamo,inoltre,che,permassesuperiorialle10MassediGiove,probabilmentenonsitrattadipianeti,madiNaneBrune

Figura3.Ipianetiextrasolarichepossonoessereosservaticonleattualitecnologiesonorappresentatinellazonainbiancodelgrafico.Lemasseediraggisonoinscalalogaritmica.Inquestazonaipallininerisiriferisconoaipianetiextrasolariscopertiprimadel1997,mentregliasterischisonoinuovicandidatiatuttoil2000.Larigaorizzontaleatratteggiodelimitalaregione,soprale10massediGiove,dovefinisconoipianetiveriepropriedinizianolestelleditipo"NanaBruna".Lalineatrasversaleinbassoindicaillimitedivisibilitànellemisurespettroscopichedivelocitàradialedellestelle.Laregionesottostanteingrigio,dovesitrovanoperconfrontoalcunipianetidelSistemasolare,nonèaccessibileconlatecnologiaattuale.Lalineatrasversaleinaltoindicagliattualilimitidelmetodoastrometrico.Contalemetodo,attualmentesarebbepossibilesolol'identificazionediuncompagnosub-stellareattornoadunastellalontananonpiùdi30anniluce.Questolimitepotràesseremiglioratosoloaumentandolaprecisionenelladeterminazionedellaposizionedellestellesinoad1/100.000disecondod'arco.Sivededaquestograficocheipianetiextrasolariditagliagiovianaopiùpiccolasonofuoridellepossibilitàosservativeattuali.(adattatadaF.Marzari,l'Astronomia,n.175,pag.35)

Le"NaneBrune"

Unaccordoprecisosullanaturadipianetaextrasolarenonèancorastatoraggiunto,ancheacausadell'esistenzadelle"NaneBrune".Questeultimesioriginanoallostessomododellestellemanonaccumulanoabbastanzamassadagenerarelealtetemperaturecapacidiinnescarelafusionenuclearenelloronucleo.Oggetticonmassacompresatrale0,01e0,08massesolarivengonodette"NaneBrune".Finoal1995sitrattavadiunaclassed'oggettialquanto"misteriosi".Leprimeproveinconfutabilidellaloroesistenzasisonoavuteinseguitoallascopertadiunadiesse(Gliese229B)trovatavicinoadunaNanaRossa,Gliese229.

Classificazionedeipianetiextrasolari



Introduzione

LastelladiBarnard





BetaPictoris

Conclusioni



Nonpossiamo,inquestobrevearticolo,riferiredituttiipianetiextrasolarisinoadoggiosservati,siaperchésonoormaiingrannumero(oltrecinquanta)siaperchéperalcunimancaancoralaconfermadapartedipiùosservatori.Lasciamoallettoreinteressatol'indicazionedellepagineWebacuiaccedereperottenereinformazionisemprepiùaggiornate,conlaraccomandazionedidistinguereidatiastronomicidaspeculazioniche,perquantosuggestive,sonosempredeltuttoipotetiche.

Èpossibilecatalogareipianetiextrasolarifinorascopertiintreclassiprincipali.

Pianetidi"tipo51Pegasi".Aquestacategoriaappartengono51Pegasib,55Cancrib,tauBooedupsAnd.Sitrattadipianeticheruotanoattornoallastellaprincipalemoltovelocemente(conperiodidipochigiorni)econorbitequasicircolari.Ilsemiassemaggioreècompresotra0.05ed0.1U.A.,cioèamenodi1/3dell'orbitadiMercuriodalSole.

Pianetidi"tipo70Virginis".Aquestaclasseappartengono70VirginisBedHD114762,cheruotanoadistanzetrale0.4e0.5U.A.conorbitemoltoellittiche.Avendounamassamaggioredi10voltequelladiGiove,potrebberoancheesseredelle"NaneBrune".

Pianetidi"tipo47UrsaeMajoris".Questaclassecomprendeoltrea47UrsaeMajorisBancheLalande21885be16CygniBb.Sitrattadipianeticonsemiassimaggiorisuperiorialle1.5U.A.conunampiospettrodieccentricitàorbitali.

BetaPictoris:unesempiodidiscoprotoplanetario

L'interesserenellaricercadipianetiesternialSistemaSolarenonsilimitaallascopertadipianeti,mavaanchenelladirezionedell'individuazionedidischiprotoplanetaridacuisipossonoformareipianetistessi.BetaPictorisèunastellaunpo'piùcaldadelnostroSole,distacirca60anniluceepresentaundiscocircumstellareattornoadessa.IlsatelliteartificialeIRAS(InfraredAstronomicSatellite)harivelatoattornoaquestastellauneccessodiradiazioneinfrarossatipicadellaemissionedinubifreddedipolveri.Adunesamepiùaccuratoèrisultatochetalenubealtrononècheundiscodimateria,chesidistendelungoilpianoequatorialedellastellaechevieneosservatoquasiditaglio.LeprimeimmaginidiBetaPictorissonostatepresedaitelescopidall'OsservatorioEuropeodell'emisferosud(ESO)utilizzandountelescopiodi2.5metri,tramiteunavideocameraCCDattrezzataconuncoronografoinmododabloccarelamaggiorpartedellalucestellareecosìmettereinevidenzaildiscocircumstellare

Figura4.IldiscodeformatodiBetaPictoriscomevistodaHST.©NasaHst

IlTelescopioSpaziale(HST)hapermesso,perlaprimavolta,diosservarelaregioneinternaaldiscochecircondalastellaevidenziandoperlaprimavolta,lastrutturadelleregioniinterne.Questemostranoundiscodi200miliardidikmdiestensione,costituitoprincipalmentedapolvere,ghiaccioesilicatienontroppodissimiledaquellodacuihatrattoorigineilnostroSistemaSolare.

Conclusioni



Introduzione

LastelladiBarnard





Conclusioni


Conclusioni

Perqualemotivoècosìimportantelaricercadeipianetiextrasolari?Pertantimotivi:percapirecomesiformaunsistemaplanetario,peravereindicazionisull'evoluzionestellaredistelledipiccolamassa,percercarediporrelebasiperlaricercadipianetiterrestri.Quest'ultimoobiettivoèlungidall'essereraggiunto.Infattinonèancorapossibileriuscirenonsoloadindividuarepianetidi"taglia"terrestre,masiamoancoralontanidallapossibilitàdidistinguerelalucedellastelladaquelladell'ipoteticopianetae,quindi,farelaspettroscopiadelleatmosferedeipianeti.Saràquestoilprossimopasso!Individuaremediantetecniche"coronografiche"pianeticonatmosfere"terrestri"riuscendoarisolverel'atmosferadipianetiamassasemprepiùpiccola.Lasciamoallafantasiadegliappassionatifantasticaresupossibilimissioniinterstellariversoipianetiextrasolari;perorasipuòsolopensarediindividuarli.




Introduzione

LastelladiBarnard





Conclusioni



Ilcatalogoèaggiornatoal28ottobre2000efornisceiprincipaliparametrifisiciedorbitalideipianetiextrasolariconfermati.Èordinatopersemiassemaggioredell'orbitainU.A.crescente,edèricavatodaidatiperlemassestellari,lametallicitàel'evoluzionestellarediHipparcos.

Stella MsiniMG

Periodo(giorni)

SemiasseMaggiore

U.A.

Eccentricità Vr(m/s)

Inclinazione(gradi)

HD83443 0.35 2.986 0.038 0.08 56.0 -HD46375 0.25 3.024 0.041 0.02 35.2 -HD187123 0.54 3.097 0.042 0.01 72.0 -HD179949 0.86 3.092 0.043 0.0 112 -TauBoo 4.14 3.313 0.047 0.02 474.0 -BD-

1031660.48 3.487 0.046 0.05 60.6 <84.3o

HD75289 0.46 3.508 0.048 0.00 54.0 -HD209458 0.63 3.524 0.046 0.02 82.0 85.3o

51Peg 0.46 4.231 0.052 0.01 55.2 -UpsAndb 0.68 4.617 0.059 0.02 70.2 -HD168746 0.24 6.400 0.066 0.00 28.0 -HD217107 1.29 7.130 0.072 0.14 139.7 -HD162020 13.73 8.420 0.072 0.28 1813.0 -HD130322 1.15 10.72 0.092 0.05 115.0 -HD108147 0.35 10.88 0.098 0.56 37.0 -HD28529 0.77 14.31 0.129 0.27 53.6 -55Cnc 0.93 14.66 0.118 0.03 75.8 25o

GJ86 4.23 15.80 0.117 0.04 379.0 -HD195019 3.55 18.20 0.136 0.01 271.0 -HD6434 0.48 22.0 0.15 0.3 37.0 -HD192263 0.81 24.35 0.152 0.22 68.2 -HD83443c 0.16 29.83 0.17 0.42 14.0 -RhoCrB 0.99 39.81 0.224 0.07 61.3 -HD168443 7.18 58.10 0.29 0.53 470.0 -GJ876 2.07 60.90 0.207 0.24 235.0 -

HD121504 0.89 64 0.32 0.13 45.0 -HD16141 0.22 75.80 0.351 0.28 10.8 -HD114762 10.96 84.03 0.351 0.33 615.0 -70Vir 7.42 116.7 0.482 0.40 316.2 -

HD52265 1.14 119.0 0.493 0.29 45.4 -HD1237 3.45 133.8 0.505 0.51 164.0 -HD37124 1.13 154.8 0.547 0.31 48.0 -HD169830 2.95 230.4 0.823 0.34 83.0 -

UpsAndc 2.05 241.3 0.828 0.24 58.0 -HD12661 2.83 250.2 0.799 0.20 89.3 -HD89744 7.17 256.0 0.883 0.70 257.0 -HD202206 14.68 258.9 0.768 0.42 554.0 -HD134987 1.58 260.0 0.810 0.24 50.2 -IotaHor 2.98 320.0 0.970 0.16 80.0 -HD92788 3.86 337.7 0.97 0.27 113.1 -HD177830 1.24 391.0 1.10 0.40 34.0 -HD27442 1.13 426 1.15 0.02 34 -HD210277 1.29 436.6 1.12 0.45 39.1 -HD82943 2.3 442.6 1.2 0.60 73 -HD222582 5.18 576.0 1.35 0.71 179.6 -HD160191 1.87 743 1.6 0.62 54. -16CygB 1.68 796.7 1.69 0.68 50.0 -HD10697 6.08 1074.0 2.12 0.11 114.0 -47Uma 2.60 1084.0 2.09 0.13 50.9 -HD

1902285.0 1127 2.3 0.43 91.0 -

UpsAndd 4.29 1308.5 2.56 0.31 70.4 -14Her 5.55 2380.0 3.5 0.45 98.5 -EpsilonEri

0.8 2518. 3.4 0.6 19.0 46±.17o



Introduzione

LastelladiBarnard





Conclusioni


Lettureeinternet

Letture

J.R.AngeleN.J.Woolf,"Incercadivitasualtripianeti",inLeScienze,n.335,1996

AA.VV.,"Lavitanell'Universo",inLeScienze,n.316,1994

G.Bernardi,Lavitaextraterrestre,Newton,1997

N.Booth,IlSistemaSolare,Zanichelli,Bologna,1996

A.Braccesi,G.Caprara,M.Hack,AllascopertadelSistemaSolare,Mondadori,Milano,2000

G.BriggseF.Taylor,AtlanteCambridgedeipianeti,Zanichelli,Milano,1997

J.S.KargeleR.G.Strom,"CambiamenticlimaticisuMarte",inLeScienze,n.341,1997

D.L.GoodsteineJ.R.Goodstein,IlmotodeipianetiintornoalSole:unalezioneineditadiR.Feynmann,Zanichelli,Bologna,1997

K.R.LangeC.A.Whitney,Vagabondinellospazio:ricercheescopertenelSistemaSolare,Zanichelli,Bologna,1987

F.Marzari,"Pianetiextrasolaricomesiformano?",inAstronomia,n.175,1997

D.H.MenzeleJ.M.Pasachoff,Stelleepianeti,Zanichelli,Milano,1990

E.Nesme-Ribes,S.L.BaliunaseD.Sokoloff,"Ladinamostellare",inLeScienze,n.338,1996

R.Rossi,"Allascopertadinuovimondi",inAirone,n.230,2000

C.Sagan,"Laricercadiformedivitaextraterrestri",inLeScienze,n.316,1994

R.Smoluchowski,IlSistemaSolare,Zanichelli,Bologna,1989.


SETI-Italia:ricercadiintelligenzeextraterrestriStelioMontebugnoli,CristianoBatalliCosmovici,AlessandroCattani,NicolòD'Amico,AndreaMaccaferri,GiuseppeMaccaferri,ClaudioMaccone,JaderMonari,SergioMariotti,AlessandroScalambra

Premessa

Attraversoqualefinestradellospettroelettromagneticoèpiùvantaggiosoosservare?

Finoachedistanzal'attualetecnologiapermettediindagareechesegnalesicerca?

Quanteciviltàpotrebberoesistereall'internodellaViaLattea?

Comesiosservaecosasistafacendonelnostropaese?

SviluppiFuturi

Conclusioni

Premessa

Gliultimiannisonostatiricchidinuovescoperteastronomicheresepossibilisiadaosservatoribasatiaterrachedaosservatoriinorbita.QuestehannopesantementecontribuitoallaincredibilecrescitadellaBioastronomia,nuovabrancadellascienzache,comeungrandemosaico,ècompostadamolteplicisettoridellaricercamoderna.LaBioastronomiaindagasull'origine,sull'evoluzioneesull'espansionedellavitanell'universo.Lerecentiscopertedipianetiextrasolariedimolecoleprebioticheinnubiinterstellarisembranoindicarecheprobabilmentelavita,comenoilaconcepiamo,nonèunfenomenouniconell'universo.Èancheverochel'uomoesisteperchénelcosmo,findallasualontanissimaorigine,sisonoverificateunaseriedisituazionifavorevoli(maancheestremamentecritiche)chenehannoresopossibilelanascitael'evoluzione.Alcunedellecostantiuniversali,comelavelocitàdellaluce,lacostantediPlanckolavelocitàconcuil'universoiniziòadespandersi,hannoassuntoinnaturaqueiprecisivalorichehannopermessomoltopiùtardilacomparsael'evoluzionedellavita.Selavelocitàconcuil'universohainiziatoadespandersifossestataminoreomaggiorediquellaassuntainnatura(alivellodimenodiunapartesudiecimilioni),sullaTerranoncisarebbemaistatalavita.Ilcarboniostesso,unodeglielementifondamentaliperlachimicadellavita,èstatogeneratodareazionitermonucleariall'internodellestellechelohannoresopoidisponibileingrandiquantitàallafinedellaloroevoluzioneduratamiliardidianni.Tuttequestemeravigliosecoincidenzepotrebberoaveredeterminatol'apparizionedellostessomiracolo"vita",magariintelligente,anchesualtripianeti.Lapossibilitàdiesistenzadivitaextraterrestreapparivarealisticagiàfindaglianni50quandoduericercatoriamericani(UreyeMiller)dimostraronocheimmettendoacqua,ammoniaca,metanoedidrogenoinun'ampollasottopostaafortiscaricheelettriche,sipotevanootteneremolecolecomplessecomegliamminoacidi,elementifondamentaliperlachimicadellanostravita.

Ladomandacuisivorrebbetentaredirispondereoraè"siamogliuniciesseriviventiedintelligentinell'Universo?".AquestadomandatentadidaresperimentalmenteunarispostailprogrammaSETI(SearchforExtraTerrestrialIntelligence).AvviatonegliUSA(NASA)negliannisettanta,costituisceoraunadellecomponentipiùimportantidiquelconsorziointerdisciplinarecheèlaBioastronomia.E`unprogrammaalargorespirointernazionaleche,mediantel'usodigrandiradiotelescopi,siproponedimonitorarelabandadellemicroondeallaricercadisegnaliradioprovenientidaciviltàextraterrestriinpossessodiuna

opportunatecnologiaradio.Ilprogramma,sospesodalcongressoamericanonell'Ottobre1993percarenzadifondi,èoragestitodalSETIInstitute,cheoperasullabasedicontributivolontaridapartediindustrieeprivati.




Premessa





SviluppiFuturi

Conclusioni


Nellasceltadellabandadellospettroelettromagneticoattraversocuicercaretraccedivitaintelligentesidevetenerecontoche,dovendoosservareconstrumentibasatiaterra,sololefinestreradioedotticasono"aperte"sull'universo.Inaltreparolel'atmosferaètrasparentesoloallefrequenzerelativeaquestebandementreallealtre(infrarossi,ultravioletti,XeGamma)ècompletamenteopaca,senededucechelaricercadaterrapuòesserecondottasoloattraversoquesteduebande.IlprogrammaSETIprevedel'usodellafinestraradioattraversolaqualeiradiotelescopistudianoilcieloalunghezzed'ondanonpercepibilidall'occhioumano.Leonderadiosonoanchecaratterizzatedalfattodipotereattraversareregionidellospaziochesonoinvece"opache"alleemissionipresentisullealtrebandedellospettroelettromagnetico.Perquestotipodiindaginevengonoimpiegatiigrandiradiotelescopioggidisponibili,grazieancheall'enormesensibilitàoffertadaquestecomplessestrumentazioni.Infatti,dateledistanze,uneventualemessaggioradiotrasmessodaun'ipoteticaciviltàextraterrestrearriverebbesullanostraTerraconunlivellodisegnaleincredibilmentebasso.Unavoltastabilitol'impiegodellabandaradio,restadadeterminareaqualefrequenzasintonizzareglistrumentiperprovareariceveresegnaliradioextraterrestri.ComesivedenellaFigura1,lazonadellabandaradiomeno"disturbata"dalrumoredioriginecosmicoèquellacompresatra1e10GHzall'internodellaqualesiprediligel'intervallodifrequenzacompresotral’emissionedell'idrogenoneutro(H)edell’ossidrile(OH)(fra1,4e1,6GHz).Questasceltasibasasull'ipotesisecondocuiseunaciviltàextraterrestrevolessedeliberatamentefarsinotare,potrebbedecidereditrasmettereunsegnalemonocromaticonellevicinanzediquestefrequenze,probabilmentemolto"studiate"daradioastronomidialtrimondi,datal'importanzael'abbondanzaditalielementinell'universo.

Figura1.Partedellabandaradioadattaallaricercaperilbassorumoredifondo




Premessa





SviluppiFuturi

Conclusioni


SipuòintuirechelatecnologiaattualenonpermetteunaricercaestesaatuttalaViaLattea(100.000annilucedidiametro)etantomenoatuttol'universo.Enormiproblemielimitazionitecnologicherendonoalmomentopossibileun'indagineinunospaziomoltolimitato.Un'ipoteticaciviltàextraterrestreadappena100anniluce(Figura2)chedecidessediinviareunsegnaleradiointutteledirezioniperfarenotarelapropriapresenza,dovrebbeimpiegaretrasmettitoriconpotenzedicirca66.000.000.000watt(66GW)perrenderepossibilelaricezionesulnostropianetaascoltandoconlapiùgrandeantenna(radiotelescopiodiArecibo)collegataadapparecchiaturemoltosofisticate.Selastessaciviltàfosseaconoscenzadellanostrapresenza,cosaestremamenteimprobabile,potrebbepuntareun'antennaparabolicadi300mdidiametroversolaTerraedinviareunsegnalediappena3.300wattperessererivelatonellestessecondizionidelcasoprecedente.

Figura2.ScenariorelativoallaricezionediunsegnaleemessodaunaantennaomnidirezionaledaunpianetaXa100anniluce

Alivellointernazionalesiparlagiàdiradiotelescopidellaprossimagenerazione,equipaggiaticonsuperficicollettrici

dicirca1kmquadrato,denominatiSKA(SquareKilometerArray),percuiilimitisoprariportatipotrebberoesserecompletamentestravoltientroiprossimidiecianni.

Aquestopuntovienespontaneaunadomanda:machetipodisegnaleodiinformazionesiintendecercare?Dopovarieconsiderazioni,legateprevalentementeadaspettitecnologici,sièdecisodicercareunsegnaleditipomonocromaticoinunprimotempoepulsatosuccessivamente.Quest'ultimo,adifferenzadelmonocromatico,contienemaggioreinformazione,maèpiùdifficiledarivelare.Unsegnalemonocromaticopresentaunaconcentrazionedienergiasuunasolafrequenza,mentrequelloadimpulsipresentaunaconcentrazionedienergianeltempo.Èperquestaragioneche,momentaneamente,ilSETI(edinparticolareilSETI-Italia)ricercaunsegnaleradiomonocromaticocioèquellacheingergosichiamaportanteradio.Èmoltoefficienteperchilotrasmette(tuttalapotenzadisponibilesiconcentrasullasolaportanteradio)edèfacilmentericonoscibiledapartedichiloriceve.Nonesistendosegnalimonocromaticiinnatura,èsemplicedadistingueredaisegnalialargabandadioriginenaturalechequotidianamentevengonoricevutiedelaboratidairadiotelescopi.Uneventualesegnalealienomodulato(portante+informazione),tipoquellichesiamoabituatiariceveredaitrasmettitori"terrestri",nonsarebbedigrandeutilitàperl'estremacomplessitàdelprocessodiestrazionedell'informazionecontenuta.Sipensigiàalledifficoltàacuiandremmoincontroneltentarediestrarreinformazionidaunatrasmissionedi"radioPechino"nelcasononsiconoscesseilcinese.Immaginiamociqualipotrebberoessereiproblemichedovremmoaffrontarenelprocessodidecodificadiunmessaggioalienodicuinonsiconoscenéiltipodimodulazionenétantomenoilrelativocodiceinformativo!AllostatoattualeilSETIsiproponediricercareunaportanteradioaffettadaspostamentodopplerintrodottodallacomponenteradialedelmovimentorelativodeipianeti(Terra-pianetaX).Questaparticolaritàcifarebbecapirecheilsegnalemonocromaticoricevutoarrivadallospazio,inviato,intenzionalmenteono,daun'eventualeciviltàextraterrestreinpossessodiunaopportunatecnologia"radio".




Premessa





SviluppiFuturi

Conclusioni


Pertentaredidareunarispostaplausibileaquestaimportantedomanda,usiamolaformuladiDrake(FrankDrakeèunodeipadrifondatoridelSETI).Questacidàunabuonastimacircal'ipoteticonumerodiciviltàpotenzialmenterilevabili:

N=R.Fp.Ne.Fl.Fi.Fc.L

Dove:

N=numerodiciviltànellaViaLattealecuiemissioniradiosonopotenzialmenterilevabili;

R=velocitàdiformazionedistelle(numerodistelleperanno)"adatte",tipoilSole,all’internodellaViaLattea;

Fp=frazionediquestestellechepresentanosistemiplanetari;

Ne=numerodipianetipersistemaconambienteadattoallavita;

Fl=frazionedipianetiincuilavitasievolve;

Fi=frazionedipianetiincuisievolvevita"intelligente";

Fc=frazionedelnumerodicivilizzazionichesviluppanounatecnologiaingradodilasciareunsegnodellaloropresenzanellospazio(adesempioonderadio);

L=periododitempoincuiquestaciviltàrilascianellospazioevidenzedellasuapresenzacome,adesempio,onderadio.

Se,perpuroesercizio,assegniamoaifattoriappenadescrittivaloriplausibili:

R=30

Fp=20%

Ne=1

Fl=10%

Fi=20%

Fc=10%

L=1000anni

siottieneunastimadelnumeroNdiipoteticheciviltàpresentinellanostragalassia,ingradodi"farsisentire",paria12.




Premessa





SviluppiFuturi

Conclusioni


Nell'ambitodiosservazioniSETIsidovrebbepuntarel'antennadelradiotelescopionellagiustadirezioneeconladovutaprecisioneondeevitarediraccoglieresegnaliprovenientidaaltredirezioni.Unavoltapuntatocorrettamente(equestorappresentagiàungrandeostacolovistochenonsisadovepossanoesserequesteipoteticheciviltà),sipresentalanecessitàdisintonizzareilradiotelescopiosullafrequenzacorretta,corrispondentecioèaquelladell'eventualetrasmettitorealieno.Nonlopossiamoassolutamentesapereanchese,comevistoinprecedenza,vipossonoessereipotesidilavorocheportanoaconsiderarelabanda21-18cm(1,4-1,6GHz)comemoltoprobabile.NoidaTerracicomporteremmoinquestomodonelcasovolessimofarenotarelanostrapresenza!Nonsapendoquindiachefrequenzasintonizzarci,dovepuntareleantenneedinqualemomentoosservare,nonsarebbeplausibilechiedere"tempoantenna"pereffettuareosservazionidicuinonsiconosconolemodalitàoperative.L'approcciomigliorealprogramma(soprattuttoperilbassocosto)èquellobasatosulleosservazioniSETIeffettuateinparallelo(piggyback)allenormaliosservazioniincorsoallaantennaparabolicaVLBI(Figura3).UnafrazionedelsegnaleradiovieneinviataalsistemaSerendipIVche,conisuoi15MHzdibandadiingressoe24.000.000dicanali,cerca,nellecondizionidipuntamentoefrequenzaoperativaincuistalavorandol'antenna,lapresenzadiunsegnaledichiaraorigineextraterrestre.Taleanalisidispettrofornisce,difatto,ancheinformazionifondamentalicircalasituazioneinterferenzeradio(abandastretta);questecostituisconounproblemasemprepiùpressanteperiradiotelescopi(comel'inquinamentoluminosoloèperitelescopiottici)egettanoombresulfuturodellaradioastronomia(Figure4e5).L'opportunitàdiusareilsistemaSerendipIVincompitidimonitoraggiocontinuodelleinterferenzeradioèdinotevoleimportanzaperleoperazionidicontrollodellestesseerendeancorapiùinteressanteedutilel’esecuzionediosservazioniSETIinparalleloallenormalioperazionidell'antennaVLBI.

Figura3.SchemaablocchidellaconfigurazionedelsistemaSerendipIV

LeattivitàSETI,conilsistemaSerendipIV,sonoiniziatenellaprimaveradel1998enonhannoportatofinoraanessunrisultato.Sisonoregistratisolosospetti(chenonsonomaistaticonfermati)einterferenzeradioterrestridivariaorigineetipologia.Laprobabilitàdicaptaresegnalialieniècomunquemoltobassaeancheseneiprossimi20anninonavremoricevutonulla,varràcomunquelapenacontinuarelericercheadottandomodalitàosservativenuove,perchépotremmoavereosservatoinmodosbagliato,neipuntisbagliatieneimomentisbagliati.

Figura4.Situazioneinquinamentoradio(satelliteFORTE)

Figura5.Lasituazionedell'inquinamentoluminosoinEuropa

Lanostraconvinzionecispingeacercareintuttigliangolidellanostragalassiaincuil’attualetecnologiacipermettediarrivare,tenendosemprepresenteilmottodiFrankDrake:"lamancanzadell'evidenzanonsignifical'evidenzadellamancanza".

SviluppiFuturi



Premessa





SviluppiFuturi

Conclusioni

Sviluppifuturi

IlprogrammaSETInelnostropaeseèa"fondizero",almenofinoalmomentodellastesuradiquestoarticolo.SiguardacongrandefiduciaallaBioastronomiache,sottoladirezionediCristianoBatalliCosmovici,sembradecollaredefinitivamenteanchedanoi.Questosignificheràavere,finalmente,finanziamentidedicatiaquestaimportanteedaffascinantericercachepermetterannolaprogettazionediacquisizionidativelocissimeconpostanalisiintemporeale.Questinuovibackendsrenderannopossibilel'implementazionedinuovialgoritmipiùefficientidellabennotaFastFourierTransformusatafinoadora,tipoletrasformateKLT(Karhunen/LoèveTransform)edanalisiWavelet.Nell'otticadimantenerebassiicostidelprogramma,quellochesiintendefareora(oltrealleosservazioniinparallelotipoSerendipIV)èdiseguireleormedelSETI@HomeamericanochedistribuisceviaInternetidatiacquisitiadAreciboamilionidiutentivolontariche,intuttoilmondo,mettonoadisposizioneilproprioPersonalComputerperlapostelaborazionedeidati.MilionidiPCchelavoranoinsiemesintetizzanoungrandeelaboratorevirtualeche,oltreacoinvolgereilsingoloinquestaaffascinantericerca,hauncostocheèquasiinesistente!ConilpermessodeiresponsabilidelSETI@Homenoivorremmoacquisiredatidurantelenormaliattivitàosservativedeinostriradiotelescopiedistribuirliperlapostelaborazioneavolontari.IdatiacquisitidairadiotelescopidiMedicinainfuturosarannoadisposizionedituttiicollaboratoritramiteunserverinstallatopressol’associazioneculturaleCRIACESIAdiMilano.ChivorràcollaborareconlaricercaitalianadiciviltàextraterrestrimettendoadisposizioneilproprioPC,potràscaricareedelaborareinostridatiattraversoquestoserverchecostituiràlanostra"porta"versoilmondodeicollaboratoriesterni.

Conclusioni



Premessa





SviluppiFuturi

Conclusioni

Conclusioni

IlprogrammaSETIèunagrandesfidachel'uomo,perlapropriaindole,nonhapotutononcogliere.Esonoproprioquestecuriositàesmaniadiconoscerechelohannoaccompagnatodallecavernefinoaigiorninostri.L'importanzaelaportatadiquestaricercasonotalidasuperarequellocheèilpuroaspettoscientifico.Sarebberoinfattienormileimplicazionifilosofiche,teologiche,sociologicheepsicologichechesubentrerebberoincasodiconfermadiesistenzadialtriesseriintelligenti.Scoprirediessereincompagniainquestoimmensouniversocifarebbesentireanchemenosolieconmenotimoredelgrandevuotochecicircondaeforse,aquestopunto,anoibasterebbesoloaverequestacertezza.

D'altrondesarebbeestremamentedifficile,senonimpossibile,mettersiincontatto,siaperleinsormontabilidistanzecheperleenormidiversitàchesicuramentecisarebberotranoie"loro".Nell'improbabilecasoincuiilcontattofossepossibile,sidovrebbeprendereinesamel'insegnamentocheciderivadallastoria,quandoilcontattotraciviltàmoltodiversetralorohaportatoallaquasicancellazionediquellapiù"debole".



Premessa





SviluppiFuturi

Conclusioni

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Letture

*C.BatalliCosmovici,S.Bowyer,D.Werthimer,Astronomicalandbiochemicaloriginsandthesearchforlifeintheuniverse,EditriceCompositori,Bologna,1991;

F.Falcinelli,Sussurridalcosmo,SocietàEditorialeFelsinea,Bologna,1999;

G.Bianciardi,Lavitaoltrelaterra,EdizioniCUEN,Napoli1998;

J.Heidmann,Extra-terrestri,Piemme,Torino,1996.

Ivolumicontrassegnatidall'asteriscocostituisconoletturediapprofondimento


Gliautori

Battistini

Bedogni

Bonfitto

Bonòli

Bottoni

Cappi

DelliSanti

Facchini

Marano

Montebugnoli

PierluigiBattistini

PierluigiBattistinièdocentediLaboratoriodiAstronomiapressol'UniversitàdiBologna.Lasuaattivitàdiricercaèstatarivoltaallostudiodellestelleedegliammassiglobulariedattualmentesioccupadiinformaticaapplicataall'astronomia.

RobertoBedogni

RobertoBedogni,astronomopressol'OsservatorioAstronomicodiBologna,studial'evoluzionedellestellenellefasifinalidellalorovitamediantelosviluppodimodellinumerici.Lasuaattivitàsirivolgeanchealladivulgazionedell'astronomianellescuolemediesuperiorirealizzandoipertestididattici.

AntonioBonfitto

AntonioBonfitto,laureatoinScienzeNaturali,èstatoConservatoredelMuseodiZoologiadiBologna.AttualmentelavorapressoilDipartimentodiBiologiaevoluzionisticasperimentale.Sioccupadisistematicadeimolluschimarini,dimuseologiaedidivulgazionescientifico-naturalistica.Hapartecipato,comedocente,avaricorsidiaggiornamentopromossidall'I.R.R.S.A.E.regionaleecollaboraconl'UniversitàdellaTerzaEtà"PrimoLevi".

FabrizioBonòli

FabrizioBònoliinsegnaStoriadell'Astronomiaall'UniversitàdiBolognaedèresponsabiledelMuseodellaSpecola.ÈVicePresidentedellaSocietàAstronomicaItalianaeDirettoredelGiornalediAstronomia(edizioneitalianaedaraba).Sièoccupatodiricercheinastrofisicapermoltianniedattualmentelasuaattivitàèdedicataallastoriadell'astronomia.

AndreaBottoni

AndreaBottonièprofessoreassociatodiChimicaOrganicapressol'UniversitàdiBologna.Isuoitemidiricercariguardanol'applicazionedimetodidicalcoloditipoquantomeccanicoallostudiodiproblemidistrutturaereattivitàdimolecoleorganicheebio-organiche.

AlbertoCappi

AlbertoCappihaconseguitoildottoratodiricercainastrofisicaall'UniversitàdiParigiXIedèastronomopresso

l'OsservatorioAstronomicodiBologna.Lasuaattivitàdiricercariguardaprincipalmentelostudiodegliammassidigalassieedellastrutturasugrandescaladell'universo.

FrancescoSaverioDelliSanti

FrancescoSaverioDelliSantièdocentediAstronomianelCorsodiLaureadiScienzeNaturalipressol'UniversitàdiBolognaepressolaScuoladiSpecializzazioneperl'insegnamentosecondariodellastessaUniversità.Sièoccupatonelpassatodiricerchenelcampodellaradioastronomiasolareedioggettiademissioneradiopulsata.Attualmenteèimpegnatoinricerchenelcampodelladidatticadell'Astronomianellascuolasecondaria.

FiorenzoFacchini

FiorenzoFacchini,OrdinariodiAntropologianellaUniversitàdiBologna.Èautoredinumerosepubblicazioni,fracuivarivolumiintemadellaevoluzioneumana.Sioccupainoltrediricerchedipaleobiologiaesupopolazionidell’AsiaCentrale,specialmenteinaltaquota.

BrunoMarano

BrunoMaranoèOrdinariodiAstronomiapressol'UniversitàdiBolognaeDirettoredell'OsservatorioAstronomicoedelDipartimentodiAstronomia.Sioccupadellostudiodiquasaregalassie.

StelioMontebugnoli

StelioMontebugnolièIngegnereElettronicoedirigentetecnologodal1995,èresponsabiledellastazioneRadioastronomicadiMedicinadicuisioccupadellagestioneesviluppotecnologico.SioccupaanchedellaprogettazionidinuovianalizzatoridispettroedèresponsabiledelprogettoSeti-Italia.


Illibro

IContributi

"L'Universoel'originedellavita"raccoglielelezionidelcorsodiaggiornamentoperinsegnantitenutosiaBolognanel2001edorganizzatodallaFacoltàdiScienzedell'UniversitàdiBologna,dall'OsservatorioAstronomicoedalDipartimentodiAstronomia

Ilvolume,acuradiFabrizioBònoli,BrunoMaranoeGianluigiParmeggiani,contieneiseguenticontributi:

B.MaranoPresentazione

F.BònoliImitidelleorigini

A.CappiIlBigBang

F.SaveriodelliSantiLemolecoleorganichenellamateriainterstellare

R.BedogniDinamicaeFormazionedelSistemaSolare

P.BattistiniIPianetielaVita

A.BottoniLeMolecoledellaVita

A.BonfittoPrimetappedell'evoluzionedeiviventi

A.BonfittoEvoluzioneBiologicadeiViventi

F.FacchiniL’evoluzioneumana.Dati,problemi,interpretazion

R.BedogniIpianetiextrasolari

S.MontebugnolietAl.SETI-Italia:ricercadiintelligenzeextraterrestri

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