Astrobiologia: le Comete creano gli ingredienti per la vita?

L’astrobiologia, lo studio della vita nell’universo, a volte viene criticata come un’etichetta alla moda con cui unire i campi di ricerca esistenti. I suoi professionisti, tuttavia, sostengono che la disciplina fornisce un quadro generale per sviluppare una migliore comprensione delle frontiere della biologia. Un biologo e uno scienziato planetario offrono le loro opinioni.

L’argomento in breve

  • I programmi di esplorazione spaziale negli anni ’60 alimentarono una nuova branca della biologia chiamata esobiologia, incentrata sulla ricerca della vita oltre la Terra.
  • Oggi il termine esobiologia è stato quasi abbandonato, per essere sostituito da uno più ampio, l’astrobiologia: lo studio dell’origine, dell’evoluzione, della distribuzione e del futuro della vita nell’universo .
  • Tuttavia, la natura dell’astrobologia come disciplina scientifica distinta è stata messa in discussione a causa della mancanza di prove per la vita extraterrestre.
  • Inoltre, l’astrobiologia è talvolta criticata come una parola d’ordine aggiunta a certi argomenti di ricerca in campi come la scienza planetaria o la biologia – ad esempio, nello studio di microbi noti come estremofili, che vivono in condizioni estreme.

Mantenere il plausibile

Stimolato dalle controversie sorte sulle prove di vita extraterrestre nel meteorite marziano ALH 81004 a metà degli anni ’90, la NASA ha riorganizzato i suoi programmi sull’esobiologia e la scienza planetaria come parte di un tentativo di integrare la sua ricerca sulle scienze della vita nella sua esplorazione spaziale sforzi. Così è nata l’astrobiologia, uno sforzo onnicomprensivo che è stato ampliato per includere lo studio degli estremofili, l’occorrenza dei pianeti e la loro abitabilità oltre il nostro Sistema Solare, e la ricerca sull’origine e l’evoluzione della vita sulla Terra, tra le altre discipline. Ma un programma di finanziamento può essere trasformato in una nuova scienza?

Il programma di astrobiologia ha effettivamente supportato tali studi, ha creato posti di lavoro per giovani ricercatori, sostenuto l’insegnamento della biologia evolutiva e promosso importanti sforzi di sensibilizzazione in seguito alla generosa tradizione della NASA di condividere i suoi risultati scientifici gratuitamente. La creazione dell’Istituto di Astrobiologia della NASA è stato seguito dal lancio di riviste specializzate e società scientifiche, corsi universitari, corsi di laurea e libri, nonché da una manciata di centri e reti di varia portata e standard accademici non uniformi in paesi diversi dagli Stati Uniti. L’impegno di tali sforzi nella comprensione delle prospettive evolutive è un risultato importante, ma ritengo che molti di essi tendano a mettere troppo peso su una manciata di analogie libere tra i microbi estremofili e la potenziale abitabilità di altri mondi nel nostro Sistema Solare.

“In alcuni ambienti, l’astrobiologia è diventata un clamoroso ma insignificante slogan nella competizione per le sovvenzioni”.

In assenza di prove inequivocabili per la sua esistenza, quasi nulla può essere detto sulla vita extraterrestre di cui non è vero anche il contrario. La scarsità di prove dà una considerevole libertà e, in certi ambienti, l’astrobiologia è diventata un clamoroso ma insignificante slogan nella competizione per le sovvenzioni. È stato sostenuto che la potenziale scoperta di una “biosfera ombra” terrestre – cioè organismi che hanno una composizione chimica alternativa a quella di tutti gli organismi conosciuti – implicherebbe che la vita è apparsa più di una volta sul nostro pianeta e quindi che potrebbe si sono sviluppati anche in altri mondi.

Nonostante la fanfara  che pubblicizzava l’esistenza di “DNA a base di arsenico” in un microbo isolato da un lago salino in California , mera acqua distillata e ulteriori controlli di laboratorio hanno spazzato via le speculazioni su tali biochimiche aliene. E alcuni dei tentativi da parte di altri ricercatori di estrapolare in altre parti dell’Universo la capacità dei microbi di adattarsi ad ambienti estremi possono essere dovuti più alla lotta per il finanziamento che al desiderio di studiare i pianeti abitabili.

La ricerca della vita al di là della Terra è una domanda scientifica legittima e un affascinante sforzo intellettuale che può essere meglio servito mantenendo una sana distanza dagli scenari di fantascienza e dalle riflessioni teologiche che in qualche modo sorprendentemente trovano la loro strada negli incontri di astrobiologia. A seconda di chi parli, l’astrobiologia sembra includere tutto, dalla composizione chimica del mezzo interstellare all’origine e all’evoluzione dell’intelligenza, della società e della tecnologia – come se l’Universo stesse seguendo un inevitabile percorso lineare verso l’alto che porta dal Big Bang all’apparizione di vita e civiltà in grado di comunicare.

Né la formazione dei pianeti né l’origine della vita sono viste oggi come il risultato di eventi imperscrutabili; piuttosto, sono considerati come esiti naturali dei processi evolutivi. Tuttavia, questo non significa che tali esiti siano inevitabili, ed è ancora da dimostrare che la vita esiste – o è esistita – in luoghi diversi dalla Terra ( Figura 1 ). La mancanza di prove non dovrebbe inibirci minimamente, ma se non siamo vincolati dai più alti standard accademici e dagli atteggiamenti critici, le discussioni astrobiologiche diventeranno nient’altro che vuote speculazioni legate a un formidabile disprezzo per la plausibilità scientifica.

Figura 1

Figura 1: la vita intorno a noi?

La ricerca della vita extraterrestre è uno degli scopi dell’astrobologia e ci sono diversi mondi potenzialmente abitabili nel Sistema Solare, oltre alla Terra. Due delle lune di Giove (Ganimede e Europa) e due delle lune di Saturno (Titano ed Encelado) ospitano oceani di acqua liquida. E Marte probabilmente aveva vasti ambienti di acqua liquida durante gran parte della sua storia.

L’ultimo grande esperimento

Delle quattro scienze di base – fisica, chimica, geologia e biologia – solo una deve ancora dimostrare la sua funzionalità oltre la Terra. Nei secoli successivi a Galileo, siamo venuti a sapere che le leggi della fisica e i principi della chimica e della geologia funzionano oltre il nostro pianeta. Tuttavia, quando si tratta di questo bizzarro fenomeno noto come vita, dobbiamo ancora fare quel salto. Il campo interdisciplinare dell’astrobiologia cerca di indirizzare questo obiettivo attraverso l’esplorazione di altri mondi e dei limiti della vita sulla Terra.

Un malinteso comune è che l’astrobiologia è equivalente alla ricerca della vita altrove. Alcune persone sono arrivate al punto di dire che è una scienza senza soggetto perché non abbiamo ancora prove per la vita extraterrestre . Ma questo è un argomento errato che è stato messo a tacere in diverse occasioni. Molti esperimenti scientifici mirano a particelle o oggetti ipotetici; la biologia è semplicemente ostacolata dal fatto che i primi principi e la matematica forniscono un potere predittivo limitato. In realtà, la ricerca della vita oltre la Terra è solo un sottogruppo di astrobiologia. Come Knoll et al. ho scritto: “L’astrobiologia può essere pensata come l’applicazione di principi geobiologici allo studio di pianeti e lune al di là della Terra”.

“Se i finanziamenti lo permetteranno, entro i prossimi decenni sapremo se la vita esiste o meno altrove nel nostro Sistema Solare”.

L’indagine molto dibattuta sul metano su Marte è un utile esempio. Poiché il metano viene rapidamente distrutto dalla luce ultravioletta proveniente dal Sole, la presunta presenza di questa molecola nell’atmosfera di Marte richiederebbe una fonte attiva da processi geologici o biologici. Astronomi, chimici, geologi e biologi sono intervenuti per affrontare il problema da diversi punti di vista e hanno lavorato insieme nel tentativo di triangolare sui principali punti di forza e di debolezza dei dati e dei modelli. Un notevole supporto per questo lavoro interdisciplinare proviene dall’Istrobiology Institute della NASA. Quest’estate, il Mars Science Laboratory (MSL, una nuova missione NASA per esplorare il pianeta rosso) può aiutare a risolvere questo dibattito,

Alcuni hanno sostenuto che sappiamo così poco della vita sulla Terra e della sua origine che dovremmo concentrare le nostre risorse limitate su queste sfide. Sessant’anni fa avrei potuto essere moderatamente in sintonia con questo punto di vista, ma ora penso che sia giusto dire che la nostra mappatura dell’albero della vita sulla terra ci chiede se esistono altri alberi. L’analogia in chimica sarebbe come se, dopo aver creato la prima tavola periodica del 1860, Mendeleev e altri avessero deciso di non cercare più elementi, anche se le lacune del tavolo fornivano una guida su dove guardare. Life on Earth funge da guida per l’identificazione di ambienti potenzialmente abitabili altrove. Sì, c’è ancora molto da imparare sulle specificità degli organismi terrestri, ma la nostra comprensione della vita come fenomeno e della biologia come scienza sarà molto avanzata trovando una seconda origine separata che può aiutare a mettere ciò che osserviamo qui su Terra nel contesto.

E ora sappiamo dove andare per condurre questo grande esperimento. L’enorme oceano di acqua cristallina del sottosuolo della luna di Giove, Europa è senza dubbio il posto migliore per cercare la vita esistente nel Sistema Solare. Inoltre, la grande distanza di Europa dalla Terra garantisce quasi che i due mondi non si siano seminati l’un l’altro. Qualsiasi vita su Europa rappresenterebbe quindi una seconda origine indipendente, anche se accadesse di convergere sulla chimica basata su DNA, RNA e proteine ​​trovate negli organismi terrestri.

Se i finanziamenti lo permetteranno, entro i prossimi decenni sapremo se la vita esiste o meno altrove nel nostro Sistema Solare. Siamo forse solo due o tre missioni lontane dal ricevere abbastanza dati da diversi mondi potenzialmente abitabili ( Fig. 1 ) per sapere se la vita abbia mai preso piede come un processo diffuso su altri pianeti o lune. Il costo combinato di tali missioni sarebbe paragonabile a quello del Large Hadron Collider, che ha appena rivelato prove per il bosone di Higgs, completando uno degli ultimi ultimi grandi esperimenti della nostra era. È il momento per il grande esperimento della biologia. È tempo di imparare se viviamo in un universo biologico o in cui la vita sulla Terra è una singolarità.

Astrobiologia: le sue origini e lo sviluppo

Per migliaia di anni gli umani hanno guardato il cielo notturno e si sono interrogati sulla presenza della vita altrove, sia nel nostro sistema solare che in qualche altro pianeta o corpo blu attorno a un’altra stella. Tali pensieri hanno trovato espressione in finzione, missioni scientifiche e religioni in tutto il mondo. I filosofi e la gente comune hanno riflettuto sull’aumento della vita sul nostro pianeta. I miti della creazione sono fondamentali per ogni civiltà e cultura e riflettono la profonda risonanza della questione delle nostre origini. Oggi, gli astronomi hanno respinto la nostra comprensione delle origini dell’universo entro minuscole frazioni di microsecondi del big bang. Tuttavia, la scienza non può ancora offrire una definizione completa della vita, né ancora indicare il tempo, le condizioni e i meccanismi esatti in cui la materia organica è passata dal non-vivente alla vita. Solo 50 anni fa, gli umani hanno iniziato ad estendere la loro presenza nello spazio, prima con i robot e poi con gli umani. Mentre questa espansione tentativa della nostra specie in altri mondi continua, le domande fondamentali rimangono senza risposta sull’adattamento a lungo termine degli organismi viventi ad altri ambienti. Ad esempio, non sappiamo quale sarà l’effetto di vivere per anni su Marte, dove la forza di gravità è circa un terzo di quella della Terra. Astrobiology affronta tutti questi misteri avvincenti abbracciando lo studio dell’origine, l’evoluzione, la distribuzione e il futuro della vita nell’universo. non sappiamo quale sarà l’effetto di vivere per anni su Marte, dove la forza di gravità è circa un terzo di quella della Terra. Astrobiology affronta tutti questi misteri avvincenti abbracciando lo studio dell’origine, l’evoluzione, la distribuzione e il futuro della vita nell’universo. non sappiamo quale sarà l’effetto di vivere per anni su Marte, dove la forza di gravità è circa un terzo di quella della Terra. Astrobiology affronta tutti questi misteri avvincenti abbracciando lo studio dell’origine, l’evoluzione, la distribuzione e il futuro della vita nell’universo.

Dr. Harold "Chuck" Klein, padre del programma di scienze biologiche della NASA.

Dr. Harold “Chuck” Klein, padre del programma di scienze biologiche della NASA.

L’attuale programma di astrobiologia della NASA risponde a tre domande fondamentali: come inizia e si evolve la vita? C’è vita oltre la Terra e, in tal caso, come possiamo scoprirlo? Qual è il futuro della vita sulla Terra e nell’universo? Mentre le domande sulle nostre origini sono state discusse per millenni, la NASA ha preso una nuova direzione nel 1995, definendo un programma scientifico che è stato anche un nuovo esperimento di ricerca che collega e collega molte discipline. La politica, la scienza, le personalità e la serendipità hanno contribuito alla creazione e al successo di quella che oggi viene chiamata astrobiologia come campo di indagine.

Antecedenti storici

Nel 1953, i ricercatori dell’Università di Chicago Stanley Miller e Harold Urey condussero un famoso esperimento in cui riuscirono a formare alcuni dei composti che gli scienziati considerano come elementi costitutivi della vita. Il nuovo programma spaziale americano ha abbracciato questo campo di studio della vita nell’universo (soprannominato “esobiologia”). La NASA ha finanziato il suo primo progetto di esobiologia nel 1959: uno strumento progettato per rilevare la vita microbica in ambienti extraterrestri. Guidato da persone come il compianto Dr. Harold “Chuck” Klein, la NASA ha istituito un programma di scienze della vita che includeva l’esobiologia come parte della sua competenza. Quando i ruoli e le responsabilità per la nuova agenzia furono definiti, l’ex Ames Aeronautical Laboratory fu ribattezzato Ames Research Center (ARC) e assegnò due ruoli di esplorazione spaziale: gestione della serie Pioneer di veicoli spaziali e scienze della vita spaziale. Questa casa all’ARC e la ricerca sponsorizzata dal programma di esobiologia della NASA hanno gettato le basi per l’approccio più ampio allo studio della vita nell’universo che alla fine sarebbe diventato astrobiologia.

Il presidente di Purdue France Córdova, ex capo scienziato della NASA. Photo credit-Purdue News Service / David Umberger.

Il presidente di Purdue France Córdova, ex capo scienziato della NASA. Credito fotografico: Purdue News Service / David Umberger

Negli anni ’70, la NASA tentò di rispondere alla domanda sull’unicità della vita nel sistema solare in una singola missione con i lander vichinghi (sviluppati e gestiti dal Langley Research Center) alla ricerca di segni di vita microbica sulla superficie di Marte. Questi esperimenti di rilevamento della vita sono stati progettati per “coltivare” (crescere) i microbi e rilevare i segni della loro attività metabolica utilizzando campioni dei primi centimetri del suolo marziano. Gli esperimenti non hanno prodotto prove di vita extraterrestre. Gli scienziati hanno stabilito che la chimica e le radiazioni sulla superficie di Marte hanno reso quell’ambiente ostile alla vita come lo conosciamo. Inoltre, gli scienziati ora sanno che meno dell’1% dei microbi sulla Terra può essere coltivato in laboratorio. Come conseguenza di questo percepito fallimento scientifico, la NASA ha messo da parte gli esperimenti exobiologici per le missioni spaziali, in particolare su Marte, per molti anni. La comunità scientifica ha proceduto a ripensare il suo approccio alla rilevazione di biosignature o segni di vita. Da questo reindirizzamento alla fine è arrivato il concetto di ricerca di ambienti abitabili piuttosto che la rilevazione diretta di organismi.

Un meteorite di Marte (ALH940001) scoperto in Antartide nel 1984 è stato studiato dalla NASA per le potenziali prove fossili che la vita primitiva potrebbe essere esistita su Marte più di 3,6 miliardi di anni fa.

Un meteorite di Marte (ALH940001) scoperto in Antartide nel 1984 è stato studiato dalla NASA per le potenziali prove fossili che la vita primitiva potrebbe essere esistita su Marte più di 3,6 miliardi di anni fa.

La NASA ha continuato il suo piccolo programma di borse di esobiologia, finanziando un’ampia varietà di indagini su questioni chiave sulla vita nell’universo. Gli importanti sviluppi scientifici promossi dalla ricerca della exobiologia della NASA includono l’identificazione di una nuova classe di organismi, l’archeologia e il successivo ridisegno dell’albero della vita e il nuovo campo di studio degli estremofili, organismi che prosperano in ambienti mortali a forme familiari di vita. Mentre l’esobiologia avanzava, anche i ricercatori di astrofisica, scienze planetarie e altre aree della scienza spaziale stavano facendo progressi. Nel 1995, i progressi scientifici e i cambiamenti nel panorama politico nazionale resero ancora una volta attraente lo studio della vita nell’universo e nacque il programma di astrobiologia della NASA.

Nel mondo della politica e della scienza

Un'immagine al microscopio elettronico di strutture tubolari che sono possibili fossili microscopici di organismi simili a batteri che possono essere esistiti nell'antico passato di Marte. Un'indagine di due anni condotta da un team di ricerca della NASA ha rilevato molecole organiche, caratteristiche minerali caratteristiche dell'attività biologica e possibili fossili microscopici come questi all'interno della famosa roccia marziana scoperta in Antartide nel 1996.

Un’immagine al microscopio elettronico di strutture tubolari che sono possibili fossili microscopici di organismi simili a batteri che possono essere esistiti nell’antico passato di Marte. Un’indagine di due anni condotta da un team di ricerca della NASA ha rilevato molecole organiche, caratteristiche minerali caratteristiche dell’attività biologica e possibili fossili microscopici come questi all’interno della famosa roccia marziana scoperta in Antartide nel 1996.

Nei primi anni ’90 la NASA Ames aveva una fiorente organizzazione scientifica con una ricerca di livello mondiale nelle scienze della Terra, nelle scienze spaziali e nelle scienze della vita spaziale. Un aspetto speciale di questa impresa sono state le interazioni interdisciplinari che ha promosso tra i ricercatori. Scienziati come Jim Pollack sono stati pubblicati regolarmente su riviste scientifiche di scienze della Terra e di scienze spaziali. Allo stesso modo, alcuni scienziati come Chuck Klein hanno lavorato sia nel campo dell’esobiologia che nelle scienze della vita spaziale. Questo lavoro interdisciplinare non era ben riconosciuto, e in uno dei periodici “ruoli e missioni” che si svolgono nei centri della NASA, Ames fu sfidato a giustificare il suo approccio alla scienza spaziale.

Una coalizione presso la sede della NASA ha iniziato a formarsi, dedicata a salvare la capacità scientifica di straordinaria qualità di Ames. Tre figure erano fondamentali: l’allora Chief Scientist France Córdova, (ora presidente della Purdue University); Wesley Huntress, allora amministratore associato di Space Science; e Charles Kennel di UCSD, poi amministratore associato per la missione della NASA sul pianeta terra. Nel marzo del 1995, Huntress suggerì alla NASA di usare il termine “astrobiologia” per descrivere lo studio in espansione della vita nell’universo. Il 19 maggio 1995, l’amministratore della NASA Dan Goldin ha tenuto una conferenza stampa ad Ames, dichiarandolo ufficialmente il centro di riferimento della NASA per il nuovo campo dell’astrobologia.

Durante gli anni ’90, le missioni spaziali hanno prodotto un flusso di scoperte scientifiche che hanno alimentato l’interesse per l’astrobiologia. Il Telescopio Spaziale Hubble ha annunciato numerosi primati in scienze spaziali, che vanno dalle prove per i buchi neri all’esistenza delle stelle nane brune. Nel 1994 Human Genome Project dichiarò di aver raggiunto l’obiettivo quinquennale di costruire una mappa genetica umana dettagliata e completa, con un anno di anticipo rispetto al programma. Nel dicembre del 1995, una scoperta veramente sorprendente fu la prima scoperta confermata di un pianeta extrasolare in orbita attorno a una stella simile al sole.

Nell’agosto del 1996, un gruppo di ricercatori incluso lo scienziato della NASA, il dottor David McKay, pubblicò un articolo controverso su Science sui possibili segni di vita in un meteorite marziano. Il meteorite marziano ha mostrato tracce di qualcosa che potrebbe essere interpretato come fossili microscopici di organismi primitivi simili ai batteri, affermano gli autori del documento. Mentre l’ampia comunità scientifica non ha ancora accettato queste affermazioni, il documento ha provocato per la prima volta una discussione scientifica sui limiti dimensionali di un organismo vivente. Quasi allo stesso tempo, la navicella spaziale Galileo della NASA ha iniziato a restituire immagini intriganti della luna gioviana Europa. Le immagini di Europa contenevano prove convincenti di zattere di ghiaccio che galleggiavano su quello che potrebbe essere un oceano liquido. Queste rivelazioni attraverso un ampio spettro di sforzi scientifici hanno fornito il materiale per un focus interdisciplinare. Nel settembre del 1996, ad Ames, si è tenuto il primo Workshop di Astrobiologia della NASA, a cui hanno partecipato oltre 250 scienziati provenienti da una vasta gamma di campi terrestri, spaziali e di scienze della vita. Le idee per un nuovo sforzo per comprendere la vita nell’universo in tutte e tre le discipline hanno iniziato a fondersi e il workshop ha prodotto una tabella di marcia ambiziosa che definisce le tre domande essenziali e guida il campo.

Istituto Astrobiologico della NASA

Il lavoro di advocacy di Córdova, Huntress e Kennel ha portato alla creazione di una nuova piattaforma per l’ampio studio multidisciplinare che era astrobiologia. Verrebbe creato un istituto virtuale, un forum comune per menti simili per condividere idee e sfruttare il lavoro degli altri. Nasce il NASA Astrobiology Institute (NAI). Un istituto liberato dalla spesa dei tradizionali mattoni e malta era stato discusso in precedenza, ma il concetto non era mai stato veramente messo alla prova.

Nell’ottobre 1997, la NASA ha sollecitato le proposte scientifiche di astrobiologia come primo passo. Quella sollecitazione descriveva la NAI come un esperimento di ricerca interdisciplinare e collaborazione virtuale. Mentre era in corso il processo di selezione competitiva, i metodi per guidare e gestire un istituto virtuale interdisciplinare non erano ancora stati creati o implementati.

Nel maggio del 1998, il vice di Huntress, il defunto Earl Huckins, visitò Ames con la direzione di stabilire l’approccio gestionale per l’istituto. Alla direzione di Cacciatrice mi è stato chiesto di essere direttore ad interim e ho avuto il compito di creare un istituto virtuale dai team selezionati attraverso l’annuncio della NASA. Il NAI era attivo e funzionante con successo entro sei mesi, un grande sforzo per un concetto non sperimentato. Fu durante questa fase iniziale che furono creati gli strumenti e le tecniche di gestione del portfolio di ricerca e comunicazioni tra gruppi. Inoltre, la carta originale per la ricerca di astrobiologia è stata definita ed estesa, abbracciando non solo le scienze di base ma anche strumentazione e campagne sul campo volte a comprendere i limiti della vita terrestre.

Icy Europa - Due immagini della luna coperta di ghiaccio di Giove Europa scattata dalla navicella Galileo il 7 settembre 1996. L'immagine a sinistra mostra l'aspetto approssimativo del colore naturale della luna, e l'immagine giusta presenta una versione in falsi colori che combina immagini a infrarossi per migliorare differenze di colore nella predominante crosta di ghiaccio-acqua della luna con ghiaccio a grana grossa (blu scuro) che si distingue dal ghiaccio a grana fine (blu chiaro).

Icy Europa – Due immagini della luna coperta di ghiaccio di Giove Europa scattata dalla navicella Galileo il 7 settembre 1996. L’immagine a sinistra mostra l’aspetto approssimativo del colore naturale della luna, e l’immagine giusta presenta una versione in falsi colori che combina immagini a infrarossi per migliorare differenze di colore nella predominante crosta di ghiaccio-acqua della luna con ghiaccio a grana grossa (blu scuro) che si distingue dal ghiaccio a grana fine (blu chiaro).

Mentre continuavo in ufficio per un altro anno, funzionando come direttore fondatore, Goldin ha emesso l’obbligo di reclutare un direttore dell’istituto che fosse un biologo di “King Kong”. L’accusa è stata adempiuta nel maggio 1999 dalla nomina di Baruch Blumberg, un biologo e medico vincitore del premio Nobel, come primo direttore della NAI. I registi successivi hanno incluso il professore UCLA Bruce Runnegar e, più recentemente, Carl Pilcher, un astronomo ed ex scienziato senior della astrobiologia della sede della NASA.

Più di 50 istituti di ricerca statunitensi hanno risposto alla prima sollecitazione della NASA e presto il campo dell’astrobiologia ha avuto una casa. I progetti proposti erano la scienza di base avviata dagli investigatori nell’ambito dei vincoli strategici imposti dalla NASA, inclusa l’enfasi sull’indagine collaborativa interdisciplinare. Quel primo anno, 11 squadre furono scelte e, insieme a una singola istituzione associata straniera in Spagna, costituirono la NAI. Ognuna delle 11 squadre era designata con il nome dell’istituto dell’investigatore principale. I membri di ciascuna squadra provenivano dall’istituto principale e dalle co-istituzioni. Questo modello continua oggi.

Grande oceano sotto - I disegni di un artista raffigurano due modelli proposti della struttura del sottosuolo di Europa sulla base delle scoperte della sonda Galileo. Nello scenario principale, le caratteristiche di Europan possono essere spiegate dall'esistenza di uno strato ghiacciato caldo e convettivo, situato a diversi chilometri sotto una crosta ghiacciata di superficie fredda e fragile. Nel secondo scenario, Europa ha un oceano profondo 60 miglia (10 volte più profondo di qualsiasi oceano sulla Terra) sotto una crosta di ghiaccio di 10 miglia di spessore.

Grande oceano sotto? – I disegni di un artista raffigurano due modelli proposti della struttura del sottosuolo di Europa sulla base dei risultati della sonda Galileo. Nello scenario principale, le caratteristiche di Europan possono essere spiegate dall’esistenza di uno strato ghiacciato caldo e convettivo, situato a diversi chilometri sotto una crosta ghiacciata di superficie fredda e fragile. Nel secondo scenario, Europa ha un oceano profondo 60 miglia (10 volte più profondo di qualsiasi oceano sulla Terra) sotto una crosta di ghiaccio di 10 miglia di spessore.

Dopo la selezione iniziale sono stati organizzati altri tre concorsi, che hanno portato a cambiamenti nel mix istituzionale. Durante questo processo il numero di investigatori e di istituto principale è cresciuto da 11 a 16 team, con cinque soci e affiliati internazionali e migliaia di scienziati e studenti in tutto il mondo. Informazioni complete sulla NAI, inclusa la sua storia, sia programmatica che scientifica, sono disponibili sul sito Web della NAI, http://nai.arc.nasa.gov .

Il progresso scientifico e l’impatto della NAI sono stati sostanziali in un’ampia serie di ricerche, tra cui lo studio e la definizione di ambienti abitabili, la comprensione dei limiti della vita, la ricerca sulla biosegneria, la prima biosfera della Terra e le origini della vita. Nel 2003, il Consiglio Nazionale delle Ricerche ha condotto una revisione dei programmi statunitensi e internazionali in astrobiologia e ha applaudito i progressi in questa nuova scienza.

Come notato in precedenza, il NAI è stato anche un esperimento di collaborazione virtuale. Per raggiungere questo obiettivo, lo staff, il direttore e gli investigatori della NAI hanno utilizzato strumenti collaborativi avanzati, tra cui videoconferenze, “smart board” collegati a Internet che hanno consentito la condivisione simultanea dei dati tra molti utenti in rete e gli strumenti modernissimi disponibili nell’avanguardia “Ambiente di ingegneria collaborativa.” Siti di server facilmente accessibili, inizialmente sviluppati e ospitati presso Ames, ma ora disponibili commercialmente, promuovono lo scambio di documenti e altre informazioni facili e sicuri. Le webcam trasmettono video da un laboratorio all’altro, collegando i ricercatori. Tali collaborazioni basate su Internet sono ora date per scontate, ma sono state considerate pioniere dieci anni fa.

Portfolio del programma ASTID, ASTEP e Astrobiology

Organismi terrestri estremi - Il principale investigatore Kimberley Warren-Rhodes esamina il fondo desertico per i cianobatteri nello Xinjiang, in Cina.

Organismi terrestri estremi – Il principale investigatore Kimberley Warren-Rhodes esamina il fondo desertico per i cianobatteri nello Xinjiang, in Cina.

Mentre il principale nuovo elemento programmatico dell’astrobiologia era incarnato nel NAI multidisciplinare e altamente interdisciplinare, i funzionari della NASA riconobbero fin dall’inizio che c’era bisogno di mantenere un portafoglio di ricerche che includesse il singolo investigatore. Il principale elemento basato sul ricercatore del programma di astrobiologia è ora chiamato il programma di biologia evolutiva ed esobiologica e attualmente finanzia circa 150 singoli ricercatori.

Un ulteriore obiettivo iniziale dell’iniziativa di astrobiologia della NASA era di creare strumentazione, strumenti e tecniche da esplorare per le “impronte digitali della vita” in ambienti estremi qui sulla Terra e in missioni verso altri mondi. Per raggiungere questi obiettivi, la NASA ha creato due nuove iniziative per il programma di astrobiologia: il programma Astrobiology Science, Technology and Instrument Development (ASTID), nel 1998; e il programma Astrobiology Science, Technology for Exploring Planets (ASTEP), nel 2001.

Le indagini di Astrobiologia richiedono lo sviluppo di strumentazione miniaturizzata in grado di eseguire operazioni estese e autonome su superfici planetarie. Il programma ASTEP della NASA sponsorizza indagini per esplorare gli ambienti estremi della Terra al fine di sviluppare una solida base tecnica e scientifica per cercare la vita su altri pianeti. Una caratteristica unica e centrale del programma ASTEP è l’uso di campagne sul campo terrestre per promuovere la scienza e la tecnologia. Ad esempio, nel 2007, le campagne sul campo ASTEP sono state condotte in Messico e Cile, sull’isola di Svalbard, a nord del Circolo polare artico, e negli oceani del Nord Atlantico e dell’Artico. Attraverso il programma ASTID, uno strumento di diffrazione a raggi X miniaturizzato è stato selezionato come il primo esperimento di volo spaziale finanziato da astrobiologia per volare sul laboratorio scientifico Mars. Come notato in varie recensioni e valutazioni,

Istruzione e sensibilizzazione

Grande oceano sotto - I disegni di un artista raffigurano due modelli proposti della struttura del sottosuolo di Europa sulla base delle scoperte della sonda Galileo. Nello scenario principale, le caratteristiche di Europan possono essere spiegate dall'esistenza di uno strato ghiacciato caldo e convettivo, situato a diversi chilometri sotto una crosta ghiacciata di superficie fredda e fragile. Nel secondo scenario, Europa ha un oceano profondo 60 miglia (10 volte più profondo di qualsiasi oceano sulla Terra) sotto una crosta di ghiaccio di 10 miglia di spessore.

Prossima fermata: Pianeta rosso – Il concetto dell’Arte del Mars Science Laboratory della NASA, previsto per il 2009, atterrerà vicino all’emisfero settentrionale del pianeta rosso e indagherà su campioni di suolo e roccia per determinare l’abilità passata e presente di Marte a sostenere la vita.

Comunicare le scoperte e l’eccitazione dell’astrobiologia è stato anche inteso come un requisito fondamentale sin dal primo sviluppo del campo. Il raggiungimento di questo obiettivo ha assunto varie forme. Un elemento era un forum comune, incarnato nella conferenza scientifica di Astrobiology tenuta biennalmente che oggi attira oltre 800 scienziati da oltre 30 campi. Con incontri nel 2000, 2002, 2004 e 2006 che hanno continuato a crescere, la conferenza rimane un forum in cui gli scienziati sono incoraggiati a superare i limiti.

Un’altra misura della maturità di un campo di ricerca è la presenza di riviste professionali sottoposte a revisione paritaria che riportano i progressi scientifici. Sono emersi due di questi giornali: Astrobiology, pubblicato da Mary Ann Liebert, Inc. e International Journal of Astrobiology, pubblicato dalla Cambridge University Press. Entrambi hanno ormai diversi anni nella loro pubblicazione e ricevono regolarmente documenti di altissima qualità.

Dall’inizio della astrobiologia, il campo ha compiuto uno sforzo concertato per sottolineare l’importanza dell’istruzione, sia per addestrare la prossima generazione di ricercatori ed esploratori, sia per tenere il pubblico al corrente delle numerose scoperte. Dieci anni fa praticamente nessuna università aveva programmi di laurea dedicati in astrobiologia e pochissimi addirittura offrivano un corso sul campo. Oggi, praticamente tutte le principali università del paese hanno almeno un corso di astrobiologia e molti hanno programmi di laurea. I corsi sono stati progettati, i curricula sviluppati, i libri di testo scritti, i film realizzati, i workshop e i corsi di formazione sviluppati per insegnanti e studenti.

Il futuro

Il primo decennio di astrobiologia ha gettato basi significative per la comprensione della genesi e dell’evoluzione della vita nell’universo. Il lavoro sul campo ha fornito fossili, organismi ed ecosistemi che hanno portato tutti a comprendere in modo significativo la Terra primitiva, possibili modelli per le origini e un’enorme espansione dei limiti ambientali riconosciuti della vita. Il lavoro di laboratorio, abbinato all’osservazione astronomica, ha aggiunto un altro pezzo significativo del puzzle e continua a fornire indizi e perfezionare i modelli. Le missioni stanno appena iniziando a portare l’astrobiologia a interi livelli di comprensione. Data l’intramontabile fascino delle domande sulle origini e sulla prevalenza della vita, l’astrobiologia durerà a lungo nel futuro.

La Cometa Rosetta contiene ingredienti per la vita

La cometa di Rosetta. Credito: ESA / Rosetta / NavCam

La cometa di Rosetta. Credito: ESA / Rosetta / NavCam

Gli ingredienti considerati cruciali per l’origine della vita sulla Terra sono stati scoperti alla cometa che la sonda spaziale Rosetta dell’ESA ha sondato per quasi due anni. Includono l’amminoacido glicina, che si trova comunemente nelle proteine, e il fosforo, un componente chiave del DNA e delle membrane cellulari. Gli scienziati hanno a lungo discusso l’importante possibilità che l’acqua e le molecole organiche siano state portate dagli asteroidi e dalle comete alla Terra giovane dopo che si è raffreddata dopo la sua formazione, fornendo alcuni degli elementi chiave per l’emergenza della vita .

Mentre alcune comete e asteroidi sono già noti per avere acqua con una composizione simile a quella degli oceani della Terra, Rosetta trovò una differenza significativa nella sua cometa, alimentando il dibattito sul loro ruolo nell’origine dell’acqua della Terra. Ma i nuovi risultati rivelano che le comete hanno tuttavia il potenziale per fornire ingredienti essenziali per stabilire la vita così come la conosciamo.

Gli amminoacidi sono composti organici biologicamente importanti contenenti carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto e costituiscono la base delle proteine. Cenni al più semplice amminoacido, la glicina , sono stati trovati in campioni restituiti sulla Terra nel 2006 dalla Cometa Wild-2 dalla missione Stardust della NASA. Tuttavia, la possibile contaminazione terrestre dei campioni di polvere ha reso l’analisi estremamente difficile. Ora, Rosetta ha effettuato rilevazioni dirette e ripetute di glicina nell’atmosfera sfocata o “coma” della sua cometa.

“Questa è la prima rivelazione non ambigua di glicina in una cometa”, afferma Kathrin Altwegg, investigatore principale dello strumento ROSINA che ha effettuato le misurazioni e autore principale del documento pubblicato su  Science Advances  oggi. “Allo stesso tempo, abbiamo anche rilevato alcune altre molecole organiche che possono essere precursori della glicina, suggerendo i possibili modi in cui potrebbe essersi formata.”

Lo strumento Rosina-DFMS su Rosetta ha rilevato ingredienti considerati importanti per la vita come lo conosciamo sulla Terra, nel coma della cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko. Credit: Spacecraft: ESA / ATG medialab; Cometa: ESA / Rosetta / NavCam - CC BY-SA IGO 3.0; dati: Altwegg et al. (2016)

Lo strumento Rosina-DFMS su Rosetta ha rilevato ingredienti considerati importanti per la vita come lo conosciamo sulla Terra, nel coma della cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko. Credit: Spacecraft: ESA / ATG medialab; Cometa: ESA / Rosetta / NavCam – CC BY-SA IGO 3.0; dati: Altwegg et al. (2016)

Le misurazioni sono state fatte prima che la cometa raggiungesse il punto più vicino al Sole – perielio – nell’agosto 2015 nella sua orbita di 6,5 anni. Il primo rilevamento è stato effettuato nell’ottobre 2014 mentre Rosetta si trovava a soli 10 km dalla cometa. La prossima occasione fu durante un sorvolo nel marzo 2015, quando era 30-15 km dal nucleo. La glicina è stata anche vista in altre occasioni associata a scoppi di cometa nel mese precedente al perielio, quando Rosetta era a più di 200 km dal nucleo ma circondata da molta polvere.

“Vediamo un forte legame tra glicina e polvere, suggerendo che probabilmente è stato rilasciato forse con altri volatili dai mantelli ghiacciati dei granelli di polvere una volta che si sono riscaldati nel coma”, dice Kathrin.

La glicina si trasforma in gas solo quando raggiunge temperature appena inferiori a 150 ° C, il che significa che di solito si rilascia poco dalla superficie o sottosuperficie della cometa a causa delle basse temperature. Ciò spiega il fatto che Rosetta non lo rileva sempre.

“La glicina è l’unico amminoacido che è noto essere in grado di formare senza acqua liquida, e il fatto che lo vediamo con le molecole e la polvere dei precursori suggerisce che si forma all’interno dei granelli di polvere ghiacciata interstellare o dall’irradiazione ultravioletta del ghiaccio, prima di diventare legato e conservato nella cometa per miliardi di anni “, aggiunge Kathrin.

Un’altra interessante scoperta fatta da Rosetta e descritta nella carta è il fosforo , un elemento chiave in tutti gli organismi viventi conosciuti. Ad esempio, si trova nella struttura strutturale del DNA e nelle membrane cellulari, ed è usato nel trasporto di energia chimica all’interno delle cellule per il metabolismo.

“C’è ancora molta incertezza riguardo alla chimica sulla prima Terra e c’è naturalmente un enorme divario evolutivo da colmare tra la consegna di questi ingredienti attraverso gli impatti cometari e la vita che prende piede”, dice il co-autore Hervé Cottin.

“Ma il punto importante è che le comete non sono realmente cambiate in 4,5 miliardi di anni: ci concedono l’accesso diretto ad alcuni degli ingredienti che probabilmente sono finiti nella zuppa prebiotica che alla fine ha portato all’origine della vita sulla Terra.”

“La moltitudine di molecole organiche già identificate da Rosetta, ora accomunate dall’eccitante conferma di ingredienti fondamentali come glicina e fosforo, conferma la nostra idea che le comete hanno il potenziale per fornire molecole chiave per la chimica prebiotica”, afferma Matt Taylor, scienziato del progetto Rosetta dell’ESA .

“Dimostrare che le comete sono serbatoi di materiale primitivo nel Sistema Solare e navi che potrebbero aver trasportato questi ingredienti vitali sulla Terra, è uno degli obiettivi chiave della missione Rosetta, e siamo lieti di questo risultato.”

Le comete sono viaggiatori nel tempo e nello spazio. Venendo da noi sin dall’inizio del nostro Sistema Solare – 4 miliardi di anni fa circa – i loro corpi scuri si illuminano mentre si avvicinano al Sole, offrendoci una finestra senza precedenti nelle nostre antiche origini chimiche.

Così è stato con altissime speranze che, poco più di due anni fa, le persone in tutta la Terra si rallegravano nel vedere il Rosetta Spacecraft che dormiva da tempo appena sveglio in tempo per incontrarsi con una cometa chiamata 67P / Churyumov-Gerasimenko (in breve CG) . Una volta che Rosetta era in orbita attorno al CG, ha rivolto tutta la sua attenzione a svelare i misteri di ciò che fa spuntare una cometa, a formare un alone, e soffiare getti di gas da alcune parti rimanendo silenziosamente immobili negli altri. Con 11 strumenti, 16 esperimenti e un piccolo lander duro chiamato Philae, Rosetta ha fatto importanti scoperte, tra cui la scoperta degli elementi fondamentali della vita sulla Terra disseminati sulla superficie della cometa.

Grazie a Rosetta, sappiamo per certo che le sostanze chimiche che vivono nel nostro DNA, nelle nostre proteine ​​e nelle nostre membrane cellulari possono essere trovate negli angoli più remoti del Sistema Solare. Altre scoperte di questo tipo sono probabilmente in attesa mentre i ricercatori passano attraverso due anni di dati in streaming – un flusso che si è finalmente concluso il 30 settembre 2016, quando Rosetta si è tuffata nella cometa CG, riportando tutto ciò che vedeva, toccava e odorava con molti sensori, fino a quando finalmente si fermò sul volto di quel corpo vagante oscuro, un po ‘meno misterioso di prima. 

Gli impatti di comete creano ingredienti per la vita

Le comete contengono elementi come acqua, ammoniaca, metanolo e anidride carbonica che potrebbero aver fornito le materie prime, in cui al momento dell’impatto sulla Terra primitiva avrebbe prodotto un’abbondante quantità di energia per produrre aminoacidi e iniziare la loro vita. Credito:LLNL

Un gruppo di scienziati internazionali, tra cui un ricercatore del Lawrence Livermore National Laboratory, ha confermato che la vita potrebbe davvero provenire da questo mondo. Lo shock della squadra comprimeva una miscela ghiacciata, simile a quella che si trova nelle comete, che poi ha creato un certo numero di amminoacidi – i mattoni della vita. La ricerca appare nella pubblicazione online avanzata il 15 settembre sul sito web della rivista Nature Geoscience .

Questa è la prima conferma sperimentale di quello che lo scienziato LLNL Nir Goldman ha previsto per la prima volta nel 2010 e di nuovo nel 2013 usando simulazioni al computer eseguite sui supercomputer di LLNL, tra cui Rzcereal e Aztec.

La ricerca iniziale di Goldman ha scoperto che l’impatto delle comete ghiacciate che si schiantano sulla Terra miliardi di anni fa avrebbe potuto produrre una varietà di composti prebiotici o di costruzione della vita, inclusi gli amminoacidi. Gli amminoacidi sono fondamentali per la vita e servono come elementi costitutivi delle proteine. Il suo lavoro prevedeva che le molecole semplici che si trovano nelle comete (come acqua, ammoniaca, metanolo e anidride carbonica) avrebbero potuto fornire le materie prime e l’impatto con la prima Terra avrebbe dato un abbondante apporto di energia per guidare questa chimica prebiotica.

Nel nuovo lavoro, i collaboratori dell’Imperial College di Londra e dell’Università del Kent hanno condotto una serie di esperimenti molto simili alle precedenti simulazioni di Goldman in cui un proiettile è stato sparato usando una pistola a gas leggera in una tipica miscela di ghiaccio cometa. Il risultato: diversi tipi di aminoacidi formati.

“Questi risultati confermano le nostre precedenti previsioni sulla sintesi dell’impatto di materiale prebiotico, in cui l’impatto stesso può produrre composti per la costruzione della vita”, ha detto Goldman. “Il nostro lavoro fornisce un percorso di produzione sintetico aggiuntivo realistico per i componenti delle proteine ​​nel nostro sistema solare, espandendo l’inventario di luoghi in cui la vita potrebbe potenzialmente originare”.

Le comete sono conosciute per ospitare gelati semplici e i precursori organici degli amminoacidi. La glicina – il più semplice amminoacido – è stata recentemente confermata per essere presente nella cometa Wild-2 .

La luna di Saturno Encelado contiene un mix di sostanze organiche leggere e acqua ghiacciata. Il nuovo studio indica che una cometa che ha un impatto su Encelado potrebbe promuovere la sintesi di composti organici complessi. Credito: NASA / JPL / SSI; Mosaico: Emily Lakdawalla

Il lavoro originale di Goldman ha utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per dimostrare che le onde d’urto dovute all’impatto planetario che passa in miscele rappresentative di comete potrebbero teoricamente guidare la sintesi degli amminoacidi. Questo meccanismo sintetico potrebbe produrre un’ampia varietà di molecole prebiotiche in condizioni di impatto realistiche, indipendentemente dalle caratteristiche esterne o dall’ambiente chimico preesistente su un pianeta.

“Questi risultati rappresentano un significativo passo avanti nella nostra comprensione dell’origine dei mattoni della vita”, ha detto Goldman.

Il team ha scoperto che i corpi ghiacciati con gli stessi composti creati dagli impatti della cometa possono anche essere trovati nel sistema solare esterno. Ad esempio, Encelado (una delle lune di Saturno) contiene un mix di sostanze organiche leggere e acqua ghiacciata. Il team ha concluso che è altamente probabile che l’impatto di una cometa che viaggia con una velocità sufficientemente alta impartirebbe abbastanza energia per promuovere la sintesi shock di composti organici più complessi, inclusi gli amminoacidi, da questi ghiacci.

“Questo aumenta le possibilità di vita originando ed essendo diffuse in tutto il nostro sistema solare”, ha detto Goldman.

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