Lastrobiologia è una scienza che studia l'origine, l'evoluzione e la distribuzione delle forme di vita nell'universo, cercando di scoprire se esistono forme di vita nate fuori dal pianeta Terra.
L'astrobiologia coinvolge in tutto il mondo un gran numero di ricercatori appartenenti a varie discipline: astronomia, biologia, scienze della Terra, matematica, scienze e tecnologie delle telecomunicazioni, ma anche sociologia e filosofia. L'Unione Astronomica Internazionale, che raccoglie tutti gli astronomi professionisti, ha una sezione dedicata all'astrobiologia (Commissione F3 Astrobiology), ed esistono Istituti di astrobiologia presso diverse Istituzioni scientifiche, quali per esempio il NASA Astrobiology Institute, il Centro de Astrobiología. Due riviste scientifiche internazionali si occupano esclusivamente di astrobiologia: Astrobiology e International Journal of Astrobiology. Diverse associazioni di ricerca professionali raccolgono gli scienziati che si occupano di astrobiologia; le principali sono The International Society for the Study of the Origin of Life – The International Astrobiology Society (ISSOL) e l'European Astrobiology Network Association (EANA), che raccoglie le società di astrobiologia che operano in Europa. In Italia esistono alcuni insegnamenti universitari di astrobiologia e un corso di studi magistrale in inglese che prevede la scelta di un curriculum a sfondo astrobiologico della durata dell'intero corso di studi.
Questa scienza in passato veniva definita anche bioastronomia o esobiologia; tali denominazioni sono usate ancora da qualche autore.
Storia
L'idea che possa esistere vita al di fuori del pianeta Terra è molto antica. Già nell'antica Grecia il filosofo Democrito sosteneva che, poiché tutto nell'universo era fatto da atomi, e la vita stessa era fatta da atomi, allora la vita doveva esistere in tutto l'universo. Le teorie di Democrito furono sostenute anche da filosofi successivi, come Epicuro e Lucrezio, mentre furono criticate da altri, in particolare da Aristotele, che sosteneva l'immutabilità e la perfezione dei cieli composti di etere, sostenendo inoltre che ogni elemento (terra, acqua, aria e fuoco) tende a un suo unico centro del moto, e quindi non possono esistere altri mondi oltre al nostro. La visione Aristotelico-Tolemaica dell'universo divenne poi l'idea accettata dal Cristianesimo e non fu messa in discussione fino alla fine del Medioevo e al Rinascimento, quando si diffuse la teoria eliocentrica di Copernico. Alla fine del XVI secolo Giordano Bruno affermò l'esistenza di infiniti mondi sostenendo che l'opera di Dio non poteva limitarsi solo a un mondo nell'universo. Nei secoli successivi l'idea della pluralità dei mondi fu sostenuta da molti filosofi e scienziati, quali Cartesio e Huygens (che afferma la possibilità che altri pianeti ospitino forme di vita) e da intellettuali quali Fontenelle (Colloqui sulla pluralità dei mondi) e Voltaire. Quest'ultimo scrisse il romanzo Micromégas, che ha come protagonisti esseri provenienti da Sirio e Saturno, ed è considerato uno dei primi esempi di fantascienza.
Alla fine dell'Ottocento Schiaparelli osservò Marte e descrisse delle strutture allungate da lui definite genericamente canali, ma ritenuti da alcuni astronomi come canali artificiali, opera di una civiltà intelligente. Grande sostenitore di questa ipotesi fu Lowell, che pubblicò molto al riguardo e descrisse ampiamente questi canali, diffondendo l'idea, perdurata a lungo, che Marte fosse abitato. Solo negli anni sessanta, con le prime missioni spaziali su Marte, le nuove foto e le mappe delle sonde Mariner confutarono l'ipotesi dei canali e descrissero il pianeta come arido e desertico.
Nel XIX secolo Darwin introdusse l'idea dell'evoluzione della vita da organismi semplici verso specie complesse, mentre nello stesso periodo la nascita della spettroscopia permise di scoprire che nell'universo sono diffusi gli stessi elementi chimici presenti sulla Terra, sostenendo l'idea che potessero formarsi pianeti intorno ad altre stelle. Negli stessi anni Pasteur dimostrò che la vita si genera solo da altra vita e non da cose inanimate.
Il dibattito sull'origine della vita sulla Terra negli anni successivi si spinse oltre, arrivando a ipotesi estreme come la panspermia, che fa l'ipotesi che le forme di vita terrestri siano nate altrove e poi portate sul nostro pianeta, sotto forma di spore spinte dalla luce solare fino allo spazio interstellare come sostenuto da Kelvin e Arrhenius, oppure sia stata volontariamente portata sulla Terra tramite navi spaziali, come proposto da Crick e Orgel. L'ipotesi della panspermia fu negata da Haldane e Oparin, i quali proposero che la vita si sia generata da una combinazione di proprietà chimiche a partire da molecole organiche, senza necessità di un intervento esterno. L'esperimento effettuato da Miller e Urey nel 1953 dimostrò che alcuni amminoacidi si potevano formare da molecole semplici come idrogeno, ammoniaca e metano.
Nel Novecento, l'invenzione dei ricevitori radio e più tardi del radiotelescopio portò nuovi strumenti alla ricerca di vita extraterrestre. Già negli anni venti Marconi tentò senza successo di captare segnali da Marte. Successivamente Cocconi e Morrison proposero di cercare segnali radio provenienti da altre stelle, come prova dell'esistenza di civiltà intelligenti. Nel 1961 Drake sviluppò un'equazione per determinare il numero di civiltà in grado di comunicare. Poco dopo nacquero i primi progetti SETI per la ricerca di vita extraterrestre e nel 1974 venne trasmesso il primo messaggio radio verso altre civiltà, seguito dai messaggi posti sulle sonde Pioneer e Voyager. Dyson invece descrisse la possibilità che una civiltà evoluta possa creare una sfera attorno alla propria stella per utilizzarne l'energia e propose di cercare segnali nell'infrarosso.
Negli ultimi decenni la scoperta degli esopianeti ha portato a nuovi progetti, che prevedono l'analisi spettroscopica dell'atmosfera di questi corpi alla ricerca di ossigeno, ozono e clorofilla. Nel sistema solare la ricerca si concentra su Marte e sui satelliti di Giove e Saturno, che potrebbero ospitare forme di vita microscopiche.
Sostanze essenziali per gli esseri viventi e loro diffusione nello spazio
Genesi degli elementi chimici
Si stima che l'universo si sia formato 13,8 miliardi di anni fa da quello che è comunemente chiamato Big Bang. Ci sono due momenti, avvenuti dopo il Big Bang, particolarmente interessanti per la formazione di pianeti e per l'esistenza della vita. Il primo è la nucleosintesi primordiale, immediatamente successiva al Big Bang, che ha creato gli elementi iniziali dell'universo e che è poi proseguita all'interno delle stelle. Il secondo è la formazione di strutture, quali galassie, stelle e pianeti. Gli elementi chimici generati agli esordi del nostro universo sono stati elio, idrogeno e, in piccola parte, litio, distribuiti in enormi nubi di gas. Sotto l'azione della forza di gravità, anche all'epoca attuale le nubi di gas collassano su se stesse, riscaldandosi e dando origine alle stelle. Nella parte centrale delle stelle, il core, avviene la fusione nucleare in cui quattro atomi di idrogeno collidono tra loro unendosi a formare elio (bruciamento dell'idrogeno tramite la reazione protone-protone). Nelle stelle con una massa di almeno 0.4 masse solari, l'elio del core viene successivamente convertito in carbonio (reazione 3 alfa). Solo nelle stelle più massicce del Sole avviene la fusione degli elementi più pesanti, con il bruciamento del carbonio e la successiva produzione, bruciamento dopo bruciamento, di elementi più pesanti: ossigeno, neon, silicio... La fase finale dei processi di nucleosintesi è la trasformazione del silicio in ferro. Dato che la fusione del ferro è un processo endotermico, cioè non può avvenire senza richiedere energia, le reazioni si arrestano, la stella inizia un collasso gravitazionale non più bilanciato dalla pressione del gas, ed esplode in una supernova. Gli elementi più pesanti del ferro si formano durante questo tipo di evento, tramite la cattura neutronica, nella quale un flusso di neutroni prodotto dall'esplosione impatta sui nuclei, generando gli elementi mancanti.
Elementi e molecole di importanza biologica
Gli elementi chimici principali che sono alla base della vita, così come la conosciamo, sono il fosforo, l'ossigeno, l'azoto, il carbonio e l'idrogeno, noti sotto l'acronimo PONCH. Un ruolo importante è svolto anche dallo Zolfo, come fonte di processi energetici di alcuni processi biologici. Tra questi elementi il carbonio è il più importante e interessante per la vita. Nessun elemento chimico è in grado di formare tanti composti quanti il carbonio, non solo per il numero ma anche per la varietà. Una proprietà chimica del carbonio è la possibilità di formare legami covalenti mettendo a disposizione i quattro elettroni di valenza, formando legami singoli, doppi o tripli. Un'altra proprietà importante è la capacità di formare catene carboniose di lunghezza variabile, con strutture lineari, ramificate o ad anello e contenendo legami doppi o anche tripli. Queste catene hanno una caratteristica importante, non si spezzano e non reagiscono facilmente. Inoltre, visto che i legami possono essere posizionati in modo molto vario, spesso si verifica che esistono molecole con lo stesso numero di atomi ma con strutture diverse e proprietà differenti. Tali molecole sono chiamate isomeri e ne sono un esempio il glucosio e il fruttosio.
Tra le molecole di grande importanza biologica formate dal carbonio ci sono i monosaccaridi. Queste molecole hanno una composizione e una struttura caratteristica: una catena carboniosa che contiene da tre a sette atomi di carbonio; un atomo di carbonio che porta il gruppo carbonilico (C=O); tutti gli altri atomi di carbonio che legano il gruppo ossidrilico (-OH). I monosaccaridi si differenziano tra loro in base al numero di atomi di carbonio e per la posizione del gruppo carbonilico. Si dicono chetoni i monosaccaridi che hanno il gruppo carbonilico al secondo posto della catena, aldeidi se si trova all'inizio. I monosaccaridi si possono presentare in due forme: lineare o ad anello. La forma ad anello è più stabile nelle condizioni in cui vivono le cellule e quindi si incontra più frequentemente. Altri isomeri importanti si differenziano per il numero di atomi di carbonio. Gli esosi sono formati da sei atomi e il glucosio ne è un esempio. Se le catene sono formate da cinque atomi di carbonio sono detti pentosi; due di essi, il ribosio e il desossiribosio, formano l'impalcatura per gli acidi nucleici dell'RNA e del DNA. Gli zuccheri che si trovano in natura hanno una configurazione destrogira.
Un altro gruppo di molecole che svolge un ruolo fondamentale sono gli amminoacidi. Alla base delle proteine, gli amminoacidi sono composti da un gruppo amminico (−NH2) e da un gruppo carbossilico (-COOH) legati ad un atomo di carbonio α in configurazione levogira e da una catena laterale, detta gruppo radicale (gruppo R). Il gruppo R contiene importanti gruppi funzionali dai quali dipendono sia la struttura tridimensionale sia le specifiche proprietà chimiche dell'aminoacido. In natura si possono riconoscere una ventina di amminoacidi utilizzati per la sintesi proteica dalle cellule.