C’è vita sulla Terra? Atmosfere planetarie e presenza di biosfera

Da James Lovelock e l’Ipotesi Gaia a oggi, diamo un'occhiata al cielo; anche nel giorno dell'eclissi c'è molto altro da vedere

[20 Marzo 2015]

James Lovelock è il padre dell’Ipotesi di Gaia, un’intrigante teoria geofisica che muove i primi passi alla fine degli anni Sessanta ed è fondata sull’omeostasi atmosferica, ossia sul concetto secondo cui il nostro pianeta, da quando vi è apparsa la vita, abbia sempre mantenuto le caratteristiche chimiche e fisiche adatte alla vita stessa: il sistema di vita e non-vita (ossia di biosfera da una parte e altre unità geofisiche dall’altra, in primo luogo l’atmosfera) si sarebbe quindi “autoregolato” a livello planetario, mantenendo nei fatti la presenza di acqua nella fase liquida e un pH non distante dalla neutralità, nonostante gli impressionanti cambiamenti a livello di radiazione solare, di tettonica a zolle, di composizione stessa dell’atmosfera avvenuti negli ultimi 3.5 miliardi di anni circa, ossia dal momento dell’apparizione della vita sulla Terra.

L’Ipotesi di Gaia, nella sua accezione di autoregolazione omeostatica del pianeta, riveste grande interesse concettuale ed epistemologico, ma è ardua da provare sperimentalmente; negli ultimi anni della sua produzione scientifica Lovelock, inoltre, introdusse elementi di “finalismo” tali da sfidare il metodo scientifico in senso stretto: la Terra si autopreserverebbe quasi coscientemente contro le minacce al suo equilibrio geofisico portate da processi interni, non ultimo il cambiamento climatico antropogenico, in un concetto definito di “geofisiologia”. Ciononostante, la visione sistemica sposata da Lovelock è valida e ampiamente accettata, e rappresenta una delle chiavi per comprendere la complessità dei processi terrestri, nonché per affrontare adeguatamente il cambiamento climatico e il ruolo forzante della specie umana nel modificare i processi planetari, attraverso il cambiamento della composizione chimica dell’atmosfera.

In una visione sistemica è possibile descrivere un pianeta in termini di geosfera, idrosfera, atmosfera e criosfera da una parte, e genericamente di biosfera dall’altra, distinguendo di fatto i processi “non vitali” dai processi “vitali”. In questo quadro Lovelock si pose il problema, non semplice, di definire la vita da un punto di vista fisico-chimico, arrivando a fare propria la definizione di Schrödinger nel suo What is life?, ossia quella di vita come processo che manifesta una temporanea e localizzata riduzione dell’entropia, contraddicendo apparentemente il secondo principio della termodinamica.

Lo stesso approccio di ricerca della rottura dell’equilibrio chimico, ossia della condizione di assenza di cambiamento nel numero delle molecole di un composto in un sistema chiuso, permette di rispondere alla domanda provocatoria di Lovelock: “C’è vita sulla Terra?”. L’atmosfera terrestre, se osservata da un’ipotetica civiltà aliena, dà chiare indicazioni di squilibrio chimico: la coesistenza di ossigeno molecolare e metano, nonché la scarsità (relativa) di anidride carbonica e ossido di carbonio, costituiscono una notevolissima “improbabilità” chimica e un indizio evidente di processi planetari in grado di rimpinguare continuamente la quantità di ossigeno e metano in atmosfera; la civiltà aliena avrebbe tutte le ragioni termodinamiche di indagare la presenza di una biosfera sul terzo pianeta della nana gialla “Sole” e di non soffermarsi, ad esempio, sul secondo e sul quarto pianeta, conosciuti come Venere e Marte, la cui composizione atmosferica è pressoché all’equilibrio chimico.

Allo stesso modo è ragionevole, nelle recenti osservazioni dei pianeti in orbita intorno ad altre stelle, gli esopianeti, l’assunzione che la composizione delle loro atmosfere sia in prima approssimazione compatibile con l’equilibrio chimico. Le missioni di individuazione dei pianeti extrasolari, e in particolare Kepler, hanno confermato l’esistenza di quasi 2000 esopianeti: di una parte di questi è possibile, in opportune condizioni astrometriche, ottenere lo spettro di emissione dell’atmosfera, in particolare laddove si riesca distinguere lo spettro planetario, che dà indicazioni sulla composizione dell’atmosfera, dallo spettro della stella intorno a cui il pianeta orbita.

Conoscendo le condizioni di temperatura e di pressione di questi esopianeti, che è possibile dedurre dalla loro distanza dalla stella e dalla loro massa, si può ipotizzare la composizione chimica delle loro atmosfere: per i corpi più simili ai pianeti del sistema solare, è ragionevole attendersi che anidride carbonica, ossido di carbonio e azoto molecolare dominino le atmosfere di pianeti ad alte temperature e basse pressioni (i pianeti di tipo “terrestre”), e che metano e ammoniaca siano i componenti principali di esopianeti a basse temperature e alte pressioni (pianeti di tipo “gioviano”, nel Sistema Solare). È quindi ragionevole indagare la presenza di una biosfera laddove si verifichi una rottura dell’equilibrio chimico, ed è possibile che il primo indizio di vita extraterrestre verrà individuato proprio attraverso l’analisi dello spettro atmosferico di un esopianeta.

Apparentemente semplice, vero? Non proprio. Non sono soltanto i processi vitali a rompere localmente l’equilibrio chimico dell’atmosfera – processi non-vitali, come le eruzioni vulcaniche, possono fare altrettanto – e non tutte le atmosfere di pianeti apparentemente privi di vita sono in perfetto equilibrio chimico – come si osserva su Marte e Titano, ove il metano e l’acetilene non sono del tutto nella concentrazione attesa.

Soprattutto, la rottura dell’equilibrio chimico basato su carbonio e azoto è un concetto solido, ma intimamente terrestre: gli esopianeti mostrano una varietà talmente incredibile di caratteristiche termiche e barometriche, nonché di dimensioni, che risulta al momento difficile padroneggiare appieno il loro comportamento termodinamico. La vita evolutasi su questi corpi potrebbe quindi avere caratteristiche del tutto inimmaginabili per noi, e altrettanto inimmaginabili implicazioni per le loro atmosfere. Lo squilibrio chimico nell’atmosfera di un esopianeta ci darà quindi un ragionevole indizio di biosfera, ma difficilmente potrà darcene la certezza.