SI CHIAMA STAR LIGHT SIMULATOR E RIPRODUCE LO SPETTRO DELLE NANE ROSSE

Fotosintesi su mondi alieni alla luce d’un simulatore

All’Europlanet Science Congress è stato presentato un ingegnoso esperimento, nato dalla collaborazione tra il Dipartimento di biologia e l’Inaf di Padova, che ha permesso di dimostrare come i cianobatteri e altri microrganismi possano crescere su pianeti rocciosi orbitanti intorno alle nane rosse, le stelle più abbondanti nella nostra galassia

     30/09/2022
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L’emissione spettrale di stelle ti tipo spettrale M è molto più debole nella parte visibile rispetto al Sole, avendo una temperatura superficiale minore. Le orbite dei pianeti rocciosi nelle stelle nane rosse inoltre sono molto più vicine e compatte. Crediti: Thibaut Roger – Europlanet 2024 RI

Una collaborazione tra l’Inaf, il Dipartimento di biologia di Padova e l’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr di Padova ha permesso di mettere a punto un esperimento che dimostra la possibilità per microrganismi fotosintetici di produrre ossigeno dallo spettro di luce emesso da stelle nane di classe spettrale M. Il team di ricerca guidato da Nicoletta La Rocca del Dipartimento di biologia di Padova e da Riccardo Claudi dell’Inaf di Padova ha presentato il risultato del lavoro all’Europlanet Science Congress, svoltosi la scorsa settimana a Granada.

Attraverso un simulatore di luce spettrale ideato dalla collaborazione e chiamato propriamente Star Light Simulator, è stato possibile riprodurre la radiazione emessa dalle stelle nane di tipo M. Queste stelle emettono principalmente nella banda infrarossa avendo infatti una temperatura superficiale più debole di quella del Sole, tra i 2500 e i 3500 gradi a seconda del tipo spettrale. Sono però tra le stelle più abbondanti della nostra galassia (si stima che siano circa il 70 per cento di tutte le stelle di sequenza principale della Via Lattea) e diverse survey di ricerca di esopianeti (come quelle condotte dai telescopi Kepler e Tess della Nasa) hanno dimostrato che le stelle nane di tipo M sono adatte a ospitare pianeti rocciosi Earth-like, cioè di dimensioni e condizioni atmosferiche simili alla Terra. Le nane di tipo M sono quindi ottime candidate per trovare indizi delle cosiddette biosignatures negli spettri delle loro atmosfere, ovvero tracce di gas come metano e ossigeno che possono essere ricondotte ad attività biologica.

Lo Star Light Simulator (a destra, acceso) ha 25 canali che emettono luce led combinando diverse frequenze dall’ultravioletto all’infrarosso per simulare vari tipi di spettro stellare. Crediti: La Rocca et al.

Il gruppo di ricerca ha implementato un setup del tutto particolare per monitorare la crescita di microrganismi fotosintetici e la loro capacità di adattarsi a diverse situazione ambiente simulate. Lo Star Light Simulator, un array di led che emettono luce a diverse lunghezze d’onda e intensità, è stato progettato per simulare lo spettro radiativo stellare, mentre una camera a simulazione atmosferica cilindrica in cui venivano inserite le colture di microrganismi ricreava le diverse tipologie di ambienti atmosferici dei pianeti extrasolari rocciosi attraverso la regolazione di temperatura, pressione e miscela di gas atmosferici. In questo modo, attraverso i due dispositivi è stato possibile ricreare in miniatura le condizioni ambientali in cui i microrganismi potevano crescere se si fossero trovati sulla superficie di un pianeta orbitante una stella nana di tipo M.

La ricerca è stata fatta inizialmente sui cianobatteri, organismi procarioti che fanno fotosintesi ossigenica e che vivono in nicchie ambientali molto diverse, i quali si sono dimostrati molto efficienti nell’adattamento alla radiazione infrarossa. I ricercatori hanno infatti scelto inizialmente questo tipo di batteri perché popolano ambienti estremi molto simili a quelli che possono trovarsi su esopianeti rocciosi: tunnel di lava, fratturazioni nelle rocce basaltiche, sorgenti termali oceaniche, grotte e in genere zone sotterranee dove lo spettro solare è attenuato nel visibile e nell’Uv e presenta così una forma radiativa simile a quelle delle stelle nane M. Questi ambienti sono simili a quelli primordiali in cui si sarebbero evoluti i primi esseri viventi, in quanto erano ambienti protetti dalla radiazione ultravioletta ionizzante del Sole, che senza la presenza dell’ozono avrebbe ucciso qualsiasi essere vivente si fosse sviluppato sulla superficie esterna. Un’intuizione che ha dunque orientato gli scienziati a scegliere questi organismi per i loro esperimenti, oltre al fatto che i cianobatteri sono tra i primi microrganismi fotosintetici evolutisi sulla Terra. Grazie a loro, infatti, nel corso di milioni di anni è iniziato l’accumulo di ossigeno fotosintetico nell’atmosfera terrestre, che ha permesso l’evoluzione della vita sulla superficie del pianeta. Per questo motivo è possibile che microrganismi simili ai cianobatteri popolino la superficie di esopianeti rocciosi orbitanti nella fascia abitabile delle stelle nane M.

Nicoletta La Rocca, professore associato al Dipartimento di Biologia dell’Università di Padova

«I cianobatteri sono i primi organismi che sulla Terra hanno evoluto il processo di fotosintesi, quindi di fatto hanno convertito un pianeta che era praticamente privo di ossigeno nella Terra attuale, permettendo l’evoluzione delle forme di vita più complesse», dice Nicoletta La Rocca del Dipartimento di biologia di Padova. «Oltre ai cianobatteri, sono stati scoperti una ventina di altri organismi che vivono in ambiente sub-superficiale e che sono in grado di fare fotosintesi ossigenica con la luce infrarossa e dunque possono essere interessanti da un punto di vista astrobiologico. Nel nostro esperimento abbiamo dimostrato che uno spettro di luce come quello delle stelle nane di tipo M è più che sufficiente per questi tipi di organismi per proliferare. Il risultato non atteso è stato che sia organismi in grado di fare fotosintesi con radiazione nell’infrarosso sia quelli che non sono in grado di farla, con una luce dello spettro di tipo spettrale M sono in grado comunque di sopravvivere e crescere nelle condizioni simulate in laboratorio. Da un punto di vista biologico non ci aspettavamo questo scenario, cioè che la quantità di luce nel visibile di questo tipo di spettro stellare fosse sufficiente a far crescere questi microrganismi. Oltre ai cianobatteri sono stati testati anche organismi più complessi, come microalghe e muschi, e i risultati sono stati gli stessi. Queste evidenze mettono in luce la possibilità che sui pianeti rocciosi orbitanti intorno alle stelle di tipo M si possa essere evoluta una biosfera simile a quella terrestre, che utilizza sistemi di conversione dell’energia solare in energia chimica analoghi ai microrganismi e alle piante sul nostro pianeta».

La spettroscopia delle atmosfere degli esopianeti in transito davanti alla stella madre può rivelare i composti gassosi e fornire evidenze sulle eventuali biosignatures dei gas biogenici prodotti. Crediti: Nasa

Nella fascia abitabile intorno alle stelle, infatti, si possono riprodurre condizioni ambientali estreme e con condizioni molto diverse rispetto a quelle terrestri. Con i telescopi spaziali come il James Webb della Nasa e il futuro Ariel dell’Esa si potrà finalmente fare remote sensing delle atmosfere dei pianeti extrasolari in cerca biosignatures. Attraverso l’analisi spettrografica sarà possibile per gli scienziati studiare le diverse abbondanze chimiche atmosferiche degli esopianeti, permettendo di fare luce sulla loro formazione ed evoluzione e ricavando nuovi dati sul modo in cui le loro atmosfere vengono influenzate dallo spettro di luce della stella madre. «

Il setup sperimentale è stato concepito da precedenti studi di simulazioni di atmosfere di pianeti extrasolari per vedere attraverso l’esposizione a radiazione di misture di gas in camere controllate che tipo di spettri in assorbimento producevano», spiega Riccardo Claudi dell’Inaf di Padova. «Da lì abbiamo poi avuto l’interesse a capire se in queste atmosfere riprodotte in laboratorio potessero anche sopravvivere e crescere microrganismi fotosintetici, specialmente nelle stelle nane di tipo M. Questo perché negli anni dopo il lancio del telescopio Kepler è stato trovato che la frequenza con cui si trovavano pianeti Earth-like nella fascia abitabile di stelle di tipo M è molto alta. Da ciò abbiamo capito che era importante comprendere come si comportavano i microrganismi irraggiati da spettri stellari di questo tipo e se potevano lo stesso effettuare fotosintesi. Inoltre gli esopianeti nelle stelle di tipo M orbitano molto vicino alla stella madre, permettendone l’osservazione degli spettri atmosferici durante i frequenti transiti».

Riccardo Claudi, ricercatore all’Inaf di Padova

In vista delle future osservazioni con telescopi come Ariel e di quelle che avremo prossimamente con Webb, sarà possibile ottenere impronte di attività biologica dagli spettri atmosferici degli esopianeti in transito davanti alla loro stella. Tipicamente verranno studiati esopianeti di stelle di tipo M come Trappist-1 e i suoi sette pianeti rocciosi orbitanti candidati ad ospitare forme di vita biologiche.

«L’astrobiologia riprenderà vita grazie alle osservazioni di questi telescopi di ultima generazione, ma il problema principale di trovare biosignatures è quello di cercare di capire con certezza l’origine di gas come l’ossigeno eventualmente presenti nelle atmosfere degli esopianeti», continua Claudi. «L’origine di questo gas per esempio può essere sia di tipo biologico, attraverso la fotosintesi, ma può avvenire anche per reazioni fotochimiche che scindono l’anidride carbonica e il vapore acqueo presenti formando la molecola d’ossigeno e da altri processi ossido riduttivi. L’unico gas biosintetico di cui si può avere una produzione e concentrazione abbastanza elevata da essere rilevato dalla spettrografia atmosferica è appunto l’ossigeno. Però ci aspettiamo che nelle atmosfere che ospitano attività biotica l’ossigeno presente sia molto maggiore, e in concentrazioni più stabili, rispetto a quelle dove la sorgente è abiotica, perché l’ossigeno liberato in atmosfera si combina facilmente con altre molecole, e se non c’è una produzione continua e sostenuta nel tempo, come quella fornita da organismi fotosintetici, allora sarebbe difficile rivelare l’ossigeno nelle impronte degli spettri di assorbimento. Se poi trovassimo la presenza congiunta di metano e ossigeno, allora questo dato diventerebbe una prova abbastanza solida per speculare sulla potenziale presenza di attività biotica, poiché l’ossigeno tende a ossidare velocemente il metano in atmosfera, e se non ci fosse una produzione continua di metano da fonti biologiche allora non potrebbe permanere a lungo allo stato gassoso».

«Attualmente stiamo facendo esperimenti simulando la crescita dei microrganismi in condizioni atmosferiche diverse da quelle terrestri attraverso il nostro setup sperimentale, che permette di modificare la temperatura, la pressione e la miscela dei gas per riprodurre scenari ambientali estremi di diverso tipo», conclude La Rocca. «Questo ci permetterà di ottenere ulteriori dati sull’adattabilità dei cianobatteri e delle altre colture biologiche a ulteriori condizioni ambientali chimiche, anche in ambiente totalmente anossico. Continueremo a concentrarci comunque sull’irradiazione di spettri di nane di tipo M, che sono quelle su cui gli occhi dei telescopi spaziali passeranno più tempo. La cosa interessante che stiamo trovando è che le condizioni di luce per gli organismi testati non sono così estreme come pensavamo. Potremo fare calcoli sulla massa organica prodotta dalla crescita degli organismi in cultura e prevedere la copertura di questi sulla superficie dei pianeti extrasolari rocciosi, e stimare così l’ossigeno prodotto e rilevabile potenzialmente dagli spettri ottenuti dai telescopi spaziali. Grazie al nostro lavoro in laboratorio potremo ottenere così dati sperimentali, e non da modelli computazionali, delle quantità di ossigeno potenzialmente prodotte da questi microrganismi sottoposti a condizioni atmosferiche e di irraggiamento come quelle trovate negli esopianeti delle stelle nane di tipo M e confrontarli con le osservazioni».