Gli spettri blu dell’abisso di Europa

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Dal film “Europa Report” – 2013

 

Alla luce di una possibile scoperta di vita extraterrestre attraverso l’esplorazione robotica avanzata o con osservazioni astronomiche, Claudio Flores Martinez sostiene che si rende necessario postulare una teoria sulla biologia dell’universo in grado di fare previsioni verificabili sul tipo di attività biologica che tali missioni prevedono di incontrare. Egli sostiene inoltre che il darwinismo non può “integrare” tutte le scienze biologiche esistenti e non riesce a sostenere la spiegazione dei nuovi fenomeni che si stanno osservando. La corrente di pensiero evoluzionistico deve riuscire a fornire una spiegazione esaustiva della comparsa convergente di numerosi segni adattativi, che si sono evoluti in modo indipendente e ripetuto nel panorama della vita, quali ad esempio la separazione in cellule riscontrata negli eubatteri e negli archeobatteri, l’endosimbiosi, la pluricellularità, la bioluminescenza, l’ecolocalizzazione ed altre ancora.

È estremamente difficile prevedere con precisione l’esatta natura della presunta attività biologica su Europa, in vista di una esplorazione del suo potenziale oceano sub-crostale, soprattutto a causa del dibattito irrisolto nella biologia evolutiva teorica su contingenza/convergenza. (l’evoluzione come processo in cui ciò che accade nel presente è condizionato dagli eventi passati/l’evoluzione come processo che parte da stesse condizioni che portano a risultati a volte simili e a volte diversi, oppure da condizioni diverse che inducono risultati simili). Ma si può ipotizzare che la vita, invece di essere una contingente “casualità cosmica” (come sostenuto da Jacques Monod e Stephen J. Gould), possa essere ripensata quale naturale e necessario risultato dell’evoluzione cosmica, una funzione intrinseca di tutto l’Universo vivente, il Biocosmo (James N. Gardner).

 

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C’è una luce splendente nel mare eternamente senza sole di Europa, dopo tutto? Credit: JPL / NASA / Steve Burg

 

Su questa linea di pensiero, la Cosmic Convergent Evolution (CCE) propone una visione aggiornata ed unificata della formazione della vita e delle teorie evolutive nell’ambito dell’astrobiologia e della cosmologia, nella quale la selezione naturale e lo sviluppo evolutivo potrebbero svolgere un ruolo sostanziale nella nascita di forme di vita simili adatte a biosfere planetarie analoghe. Se si ipotizza una tendenza naturale del nostro Universo alla biogenesi, si deve anche pensare ad una vita che si dovrebbe formare spontaneamente, come un evento complesso, anche andando oltre il paradigma “la vita è chimica”, per esplorare come le proprietà di base dei sistemi biologici (ad esempio l’auto-assemblaggio, l’organizzazione e la replicazione) potrebbero essere ricavate e descritte quantitativamente usando le leggi fisiche fondamentali. Ad esempio, come sulla Terra l’esposizione di organismi di ambienti diversi a pressioni selettive dello stesso tipo ha portato alla nascita e all’evoluzione di forme di vita adattate in modo simile, in modo analogo si potrebbero prevedere modelli di complessità biologica convergente tra nicchie planetarie similari (Terra ed Europa).

Flores sostiene che è importante vincolare i parametri riferiti alla biocomplessità dei sistemi biologici alieni, così come lo sono quelli che definiscono l’abitabilità per la vita nel nostro pianeta, e indica con la sigla MCT (Minimal Convergent Tracts) i tre imprescindibili:

1) la replicazione molecolare e l’eredità;
2) la formazione di cellule mediante sistemi a membrana;
3) reti metaboliche collegate a reazioni biochimiche energeticamente favorevoli.

Non è comunque implicito che la biologia extraterrestre impieghi un insieme di molecole identico a quelle della vita terrestre e, qualora ciò avvenisse, potremmo anche non riconoscerli essendo abituati ad un altro concetto di vita. In generale, un meccanismo universale che permetta la formazione della vita su un dato pianeta, e la sua successiva evoluzione verso una maggiore complessità biologica, potrebbe essere definito evoluzione convergente substrato-indipendente, anche accettando l’ipotesi di substrati costituiti da biopolimeri diversi da quelli presenti negli organismi terrestri. D’altra parte anche sulla Terra si manifesta tale tipo di convergenza a carico delle membrane cellulari in alcuni archeobatteri, in cui queste si costruiscono sulla base di lipidi glicerolo-etere con catene laterali isoprenoidi piuttosto che lipidi glicerolo-estere con code di acidi grassi, tipici di eubatteri ed eucarioti.

Le future missioni di esplorazione planetaria e le indagini spettroscopiche sugli esopianeti dovranno curare una selezione molto precisa di indicatori, biosignature convergenti, scelti per la presenza di vita extraterrestre, ma analoghi ai marcatori per i fenomeni osservati nella vita di tipo terrestre. Lo schema organizzativo delle MCT dovrà essere adeguato alle procedure di routine della progettazione delle missioni spaziali e definire in modo preciso i parametri, STM (Science Traceability Matrix), che collegano in modo logico e modulare gli obiettivi scientifici a misure e metodi di rilevamento, come è stato già previsto per la futura esplorazione in situ delle fratture presenti su Encelado.

 

Science Traceability Matrix

 

 

Cellularizzazione

Lo studio dell’organizzazione, della struttura e della funzione dei sistemi viventi può seguire due modelli di approccio: il top-down, approccio causale, in cui si parte da una visione generale del sistema per specificare successivamente i singoli livelli con ulteriori dettagli, fino alla validazione completa del modello; il bottom-up, approccio riduzionista, in cui i singoli livelli del sistema vengono specificati in dettaglio e successivamente interconnessi fino a realizzare il sistema completo. Il primo modello sembra soddisfare meglio gli MCT, ma una scuola emergente di pensiero nella biologia evolutiva sta avanzando l’ipotesi che la transizione dalla non-vita alla vita (abiogenesi) può essere descritto correttamente anche come un passaggio a circuito causalità/informazioni. Il modello top-down dimostra che la causalità è un meccanismo importante sia nell’evoluzione adattativa attraverso la selezione naturale, in cui l’obiettivo è la sopravvivenza, sia nella selezione adattativa in casi di evoluzione convergente. Ad esempio nei delfini e nei pipistrelli l’evoluzione della funzionalità di ecolocalizzazione ha portato al cambiamento di oltre 200 geni in modo indipendente ma con le stesse modalità, al fine di conferire ad entrambe le specie la possibilità di utilizzare il sonar. Altro caso che dimostra come la complessità biologica sia diretta da una causalità top-down è la regolazione epigenetica, in cui le modifiche chimiche, a carico del DNA o delle regioni che lo circondano, non coinvolgono cambiamenti nella sequenza dei nucleotidi: avvengono modifiche sull’attivazione di alcuni geni, ma non sulla struttura di base del loro DNA.

Alla luce delle ultime conoscenze, i biologi stanno considerando che il “dogma centrale” della biologia molecolare, flusso unidirezionale delle informazioni DNA – RNA – proteine, non sia più compatibile con la realtà biologica, ma le “gerarchie di informazione” potrebbero spiegarla meglio attraverso un flusso bidirezionale di informazioni dai livelli di organizzazione biologica più alti a quelli più bassi, attraverso il controllo dell’informazione, l’elaborazione e la selezione con strutturazione di reti biomolecolari.

 

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Piramide della complessità della vita. I sistemi biologici sono regolati da reti biomolecolari gerarchiche e modulari che consentono di visualizzare su larga scala organizzazioni simili a loro. L’informazione molecolare degli organismi è altamente specializzata mentre le strutture complessive incorporate, codificate all’interno di queste istruzioni, mostrano schemi ricorrenti espressi globalmente in ogni livello di biocomplessità. Figura da (Oltvai e Barabasi 2002)

 

 

Biocomplessità avanzate su Europa – Luci viventi dall’abisso

Un approccio top-down, unito ad una visione evolutiva convergente, potrebbe aprire nuovi orizzonti riguardo alla previsione di tracce biologiche e del loro grado di evoluzione su corpi ghiacciati, quali Encelado ed Europa, soprattutto quest’ultima, considerate le sue maggiori dimensioni. Analogamente a quanto si è scoperto avvenire in alcuni fondali oceanici terrestri ultramafici, cioè a rocce basiche a basso contenuto in silice, anche su Europa potrebbero verificarsi processi idrotermali di serpentinizzazione, favoriti dall’interazione dell’acqua dell’oceano sub-crostale e il mantello roccioso sottostante. Durante tali processi geologici, che avvengono a basse temperature, le rocce assorbono grandi quantità d’acqua, che ne induce l’aumento di volume fino al 40% e la conseguente demolizione della struttura. Tutto ciò dà luogo a reazioni che portano alla produzione di serpentinite (da cui il nome) e diversi composti quali idrogeno, metano e acido solfidrico, oltre una grande quantità di calore: una fonte di energia alternativa per eventuali microorganismi chemiotrofici delle profondità pelagiche. Inoltre l’analisi spettroscopica, condotta da diversi ricercatori, ha rilevato la presenza di sali di magnesio e di tassi consistenti di H2 e O2 nelle profondità dell’oceano di Europa, derivanti probabilmente dalla demolizione di perossido di idrogeno (H2O2). Un habitat così strutturato può far ipotizzare anche un’attività biologica in evoluzione dalla semplice vita microbica alla maggiore complessità di organismi pluricellulari in un flusso ascendente-discente tra le aree più profonde e quelle intermedie della massa fluida.

 

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Nascosti sotto il guscio di ghiaccio di Europa potrebbero prosperare ecosistemi complessi. Figura da (Irwin e Schulze-Makuch 2003).

 

Altro esempio di processo evolutivo adattativo in termini di causalità top-down, gerarchie di informazione ed equivalenza funzionale, compatibile con l’ambiente oceanico di Europa, potrebbe essere la bioluminescenza, uno dei più antichi adattamenti funzionali negli organismi pluricellulari, come confermato da ultime ricerche genomiche. Questa, presente sia in organismi pluricellurari che unicelluari, regola diverse funzioni ecologiche fondamentali: la ricerca del cibo, l’attrazione sessuale e la difesa dai predatori. Sulla Terra, inoltre, è presente in diverse forme di coevoluzione, in cui batteri bioluminescenti si trovano in simbiosi con organismi più complessi, a strutturare organi altamente differenziati per risposte a determinati stimoli. Un sistema bioluminescente di base è costituito da un substrato che produce luce, luciferina, e un enzima, luciferasi, che catalizza una reazione ossidativa, quindi strettamente dipendente dall’ossigeno presente, che porta all’emissione di fotoni nello spettro della luce visibile, prevalentemente tra 450 – 635 nm. All’interno dell’oceano la maggior parte della bioluminescenza emessa è nello spettro del blu, le cui lunghezze d’onda viaggiano più veloci nell’acqua. Secondo le ipotesi correnti la bioluminescenza dovrebbe aver avuto il suo inizio come meccanismo di difesa nei confronti di ossigeno in eccesso. La vita sulla Terra è stata caratterizzata da un metabolismo anaerobico fino alla comparsa della fotosintesi ossigenica sviluppata dai cianobatteri primordiali, che portò all’immissione nell’atmosfera e negli oceani di grandi quantità di ossigeno, responsabili dell’esplosione della vita terrestre nel Cambriano.

Quando il tasso di ossigenazione si ridusse, probabilmente residuavano ancora liberi composti fortemente reattivi (perossido di idrogeno, ossigeno singoletto, superossido) molto tossici per la vita allora esistente. È possibile che i sistemi luciferina/luciferasi si siano sviluppati durante questo periodo a spese dell’ossigeno ambientale in eccesso, per evitare gli effetti negativi degli agenti ossidanti. Tutti gli organismi sarebbero stati esposti alla stessa pressione selettiva, rappresentata dalle reazioni ossidative dannose, e probabilmente diverse specie impiegarono sistemi chimici differenti evolvendo in modo individuale la loro bioluminescenza. Quando l’ossigenazione degli oceani raggiunse i valori simili a quelli attuali e la vita animale pluricellulare si stava sviluppando, il sistema luciferina/luciferasi perse il suo valore selettivo e lasciò il posto ad altre funzione biologiche per la produzione di luce. Se i modelli sulla geochimica di Europa sono validi, le crescenti concentrazioni di ossigeno in corso rappresenterebbero una pressione selettiva di alto livello, che potrebbe portare ad una evoluzione convergente di bioluminescenza su tutto il biota di Europa attraverso un processo di causalità top-down tramite la selezione adattiva.

 

 

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Un’immagine satellitare di un “mare lattescente” al largo delle coste della Somalia

 

Il telerilevamento satellitare ha evidenziato in alcuni mari terrestri vaste fioriture di batteri unicellulari luminescenti, responsabili dei cosiddetti “mari lattescenti”, prodotte da un elaborato meccanismo di regolazione dell’espressione genica, che permette a molte cellule batteriche della stessa specie di comunicare tra di loro (quorum sensing). Anche il telescopio sottomarino Antares, collocato nel mare al largo di Tolone in Francia per lo studio dei neutrini provenienti da stelle e galassie, ha registrato nel Mediterraneo picchi stagionali di luminescenza causati dall’attività di vaste fioriture subacquee di microorganismi di acque profonde, Photobacterium phosphoreum. Questo risultato collaterale di osservazioni astronomiche può far sperare in un lontano futuro che i telescopi spaziali potranno essere in grado di rilevare tracce di luce prodotte da gigantesche fioriture bioluminescenti sulla superficie degli oceani di mondi lontani.

 

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Fioriture in acque profonde di batteri bioluminescenti rilevate dal telescopio per i neutrini Antares nel Golfo di Lione, Francia. (Credits to Steve Miller / NRL / Mathilde Destelle)

 

Inoltre, lo sviluppo di nuove tecnologie di esplorazione nelle acque profonde degli oceani terrestri ha permesso la sperimentazione di nuovi metodi di ricerca in situ. Ad esempio la “medusa elettronica“, sonda sferica con cui il biologo marino Edith Widder è riuscito a filmare per la prima volta il calamaro gigante nel suo habitat naturale, simula la bioluminescenza azzurra della scifomedusa di acque profonde Atolla wyvillei. Questa sonda è collegata ad un sistema di telecamere silenziose a luce nell’estremo rosso, invisibile per la maggior parte degli organismi delle acque profonde. Un’altra tecnologia, sperimentata nel 2014 durante una spedizione archeologica subacquea ad Antikythera in Grecia, è il “Exosuit“, una specie di sottomarino da indossare ideato con l’obiettivo di esplorare bioluminescenza in acque profonde fino a 300 m. Un altro metodo di rilevamento è costituito da un sistema di fotometri di profondità, formati da camere di flusso abbinate a tubi fotomoltiplicatori per misurare l’intensità della bioluminescenza di organismi unicellulari stimolata meccanicamente. E proprio fotometri di profondità miniaturizzati potrebbero essere la dotazione più idonea per un sommergibile robotico ipotizzabile per una futura esplorazione dell’oceano di Europa alla ricerca di bioluminescenza ambientale emessa da microrganismi.

traduzione e adattamento di SIMONETTA ERCOLI

editing ROBERTO FLAIBANI

 

FONTE:

Titolo originale: “The Blue Spectres of Abyssal Europa“, di Claudio Flores Martinez
Pubblicato il 19 agosto 2016 da Centauri Dreams

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Claudio Flores Martinez

 Claudio Flores Martinez ha appena terminato un Master presso il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (EMBL) di Heidelberg, in Germania ed ora sta facendo un dottorato di ricerca in biologia teorica. Attualmente è assistente di ricerca presso l’Unità di Biologia dello Sviluppo di EMBL e l’Università del Centro per gli Studi degli organismi di Heidelberg. Con tre articoli in Acta Astronautica al proprio attivo, Claudio è già inserito nella biologia evolutiva teorica, e in particolare nel dibattito contingenza contro convergenza. In questo documento, egli discute come questi due aspetti siano collegati alla possibile nascita e successivo sviluppo della vita su Europa e alle potenziali tracce di vita con cui la si potrebbe trovare, un viaggio che ci porta in profondità nella natura dei sistemi viventi. Proprio quello che potremmo incontrare sotto il ghiaccio di Europa? (Paul Gilster).

 

 

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