L'esistenza di un sistema extrasolare è, ovviamente, una condizione necessaria ma non sufficiente per aspettarsi uno sviluppo biologico. Perché ciò avvenga debbono realizzarsi molteplici fattori interdipendenti e riguardanti sia la stella centrale sia il pianeta "candidato". Solo per semplicità di esposizione possiamo tentare di schematizzare queste condizioni dividendo quelle che riguardano più da vicino la stella da quelle più direttamente connesse al pianeta, non dimenticando però che il destino di quest'ultimo è strettamente legato al proprio astro centrale.

 

Stella

Tempo

La vita necessita di molta pazienza e costanza: sulla Terra è apparsa dopo 1 miliardo di anni dalla formazione del pianeta e da allora reperti paleoclimatici indicano che la quantità di radiazione pervenuta dal Sole non è mutata di molto. Possiamo dedurne, quindi, che la vita è un processo lento e difficile che necessita di una stabilità accentuata per le condizioni fisiche del pianeta. Un'ulteriore deduzione che possiamo fare è che i pianeti più sfortunati, dal punto di vista biologico, sono quelli orbitanti attorno a stelle che hanno abbandonato la sequenza principale, ovvero quelle stelle che si sono avviate in una fase di forte instabilità riguardo sia le dimensione che la quantità di radiazione emessa. Ne è un esempio il sistema PSR 1257+12, che mostra cosa resta di un sistema planetario nel caso in cui la propria stella diviene una supernova: mondi completamente alterati dalla catastrofe dell'astro centrale. Se mai vita ci fu su di essi, essa deve essere ormai scomparsa da milioni di anni. Per questo stesso motivo dovrebbero essere sfavoriti pianeti orbitanti attorno sia a stelle variabili che a stelle di classe O-B-A, troppo veloci nel bruciare il proprio idrogeno. D'altro canto, dovremo escludere anche stelle di classe M e parte delle K per il motivo opposto: si tratta infatti di stelle scarsamente luminose e di vita lunghissima.

Composizione

Le stelle della sequenza principale non hanno tutte la stessa composizione, alcune sono ricche di elementi pesanti (quelle di popolazione II, le più vecchie), altre (le stelle di popolazione I, le più giovani) ne hanno un quantitativo inferiore. Il contenuto di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio è importante in quanto i pianeti (che nascono dalla stessa nube primordiale della stella) per ospitare la vita necessitano di un substrato solido e ricco di elementi (come il carbonio) che, opportunamente combinati, possono costruire eventuali forme biologiche.

Temperatura

La temperatura superficiale del pianeta è, tra gli altri parametri fisici, quello forse più delicato: essa si deve mantenere all'interno di uno stretto margine di variabilità anche se l'estremo inferiore può godere di una tollerabilità più ampia rispetto a quello superiore: gli organismi viventi più elementari (batteri e virus) resistono, infatti, molto meglio al freddo (con meccanismi di autoconservazione come l'incistimento o l'anabiosi che si sviluppa attorno a 0°C) che non al caldo che risulta, invece, essere letale se supera anche di poco la soglia di tolleranza dell'organismo. La temperatura del pianeta è legata sia alla quantità di radiazione ricevuta, sia alla distanza dall'astro centrale intorno a cui il pianeta orbita: si definisce zona d'abitabilità l'intervallo di distanze compatibili con la sopravvivenza di organismi biologici elementari (sempre sulla base di esempi terrestri). La zona di vivibilitàè tanto maggiore quanto maggiore è la luminosità della stella: piccola per le stelle di classe spettrale M (nane rosse) e via via maggiore al crescere della luminosità della stella. Si può ragionevolmente ritenere che le migliori chances per una zona di abitabilità, compatibile anche con altre condizioni fisiche come orbita ed attrazione gravitazionale, siano presenti attorno a stelle di classe spettrale compresa tra F5 e K5 che rappresentano soltanto l'1-2% delle stelle totali della Via Lattea ma che, dato l'elevato numero (stimabile attorno a 10^10) ammontano al numero considerevole di 1 miliardo!

Appartenenza ad un sistema multiplo

La maggior parte delle stelle della Via Lattea forma dei sistemi doppi o multipli. Ciò potrebbe rappresentare un problema per un pianeta sul quale sia possibile un'evoluzione di tipo organico. La sua orbita, infatti, nei casi doppi e a maggior ragione in quelli multipli, sarà necessariamente complicata alternando passaggi ravvicinati a passaggi estremamente lontani dall'astro centrale con una conseguente alta variabilità nella quantità di radiazione ricevuta sulla superficie. Una variabilità di temperatura e luminosità è difficilmente compatibile con l'evoluzione biologica, almeno per come la conosciamo sulla Terra.

 

Pianeta

Massa e composizione chimica

La massa del pianeta non deve essere nétroppo grande nétroppo piccola: se troppo piccola non consente di mantenere un'atmosfera, se troppo grande consente di mantenere un'atmosfera pressochéidentica a quella della nebulosa protoplanetaria dalla quale si sono formati sia il pianeta che la stella. Lo stesso sistema solare ci mostra entrambe queste eventualità: la Luna, ad esempio, a causa della massa ridotta ha perso per intero la propria originaria atmosfera mentre Marte, con una massa di poco inferiore a quella della Terra ne ha conservato solo una debole traccia. All'altro estremo, i giganti gassosi hanno mantenuto un quantitativo di idrogeno ed elio che li fa somigliare più a stelle mai accese che a pianeti. Il persistere dell'atmosfera originaria, con il suo notevole quantitativo di idrogeno, comporta la formazione di molecole quali ammoniaca e metano (oltre che di acqua) estremamente tossiche per lo sviluppo organico, il che renderebbe difficile qualsiasi evoluzione di tipo biologico. Sembra dunque che la massa di un pianeta adatto ad ospitare la vita si collochi tra 1/100 della massa terrestre ed una decina di masse terrestri.

Presenza di un'idrosfera

Il Sole, oltre ad emettere radiazione visibile, emette anche raggi ultravioletti, estremamente pericolosi per la vita. Una schermatura efficace è fornita dall'acqua e, non a caso, la vita sulla Terra sembra essere apparsa per la prima volta proprio nelle profondità degli oceani primordiali. La presenza di un idrosfera, indipendentemente dall'acqua intesa come solvente organico, è dunque indispensabile per ipotizzare sia la sopravvivenza che l'evoluzione.

 

I mattoni della vita

Non c'è bisogno di drastiche differenze fisiche e climatiche per avere profondi mutamenti nella morfologia e nell'evoluzione delle specie viventi. Quello che interessa alla Natura è che tutti gli organismi biologici condividano lo stesso materiale di base, che è ovunque lo stesso: il carbonio. Un organismo vivente è caratterizzato dalla grande mole di informazioni che contiene, che può immagazzinare e trasmettere. Tutte caratteristiche possibili solo in virtù della grande poliedricità dell'atomo di carbonio. A proposito della possibilità di sostituire il carbonio con qualche altro elemento, così risponde Normano Horowitz, professore di biologia al California Institute of Technology: "E' improbabile, se si pensa, che per avere un sistema vivente occorra avere un sistema che sia in grado di immagazzinare e replicare grandi quantità di informazioni. Tutto il nostro bagaglio genetico è costituito dalle informazioni che la nostra specie ha acquisito nel corso di centinaia di migliaia di anni di evoluzione. I risultati di queste esperienze sono codificati nei nostri geni, che ci dicono come dobbiamo sopravvivere. L'essenza della vita consiste nell'accedere a queste grandi quantità di informazioni, di essere in grado di replicarle e trasmetterle alle generazioni successive. Tutto ciò richiede molte molecole complesse e, quindi la vita non può essere basata che su un atomo che sia in grado di creare molecole molto grandi e molto complicate, e allo steso tempo molto stabili. Se si considerano gli atomi disponibili, il carbonio è l'unica scelta possibile per questa funzione." Il carbonio consente all'organismo di potere operare una serie di scelte: se, per esempio, deve metabolizzare dello zucchero (fondamentale per il fabbisogno energetico), potrà scegliere tra diversi tipi chimici di zucchero che è in grado di produrre ed opererà questa scelta costruendo un enzima. Per far ciò dovrà usare un'enorme quantità di informazioni necessaria per specificare esattamente la sequenza che costruisce tale enzima. Le proteine sono assemblate in lunghe sequenze (i cosiddetti polimeri) composte unicamente da 20 amminoacidi e devono la loro diversa funzionalità, al modo con cui sono scelti e selezionati dal processo evolutivo. Tutti gli organismi viventi, dall'Escherichia Coli alla balena azzurra condividono questo patrimonio comune fatto da 20 amminoacidi e 4 acidi nucleici: è il loro assemblaggio e la loro sequenza a determinare il destino di un organismo. Per comprendere come ciò sia possibile sarà sufficiente ricordare che una comune proteina è una lunga catena composta da 100 amminoacidi (ma molte sono più lunghe): per ognuno di questi amminoacidi sono possibili 20 scelte diverse, il che vuol dire che con 20 amminoacidi possiamo formare 20^100 comuni proteine. Ciò rappresenta un'infinita possibilitàdi combinazioni che rende ragione della diversità biologica che osserviamo e della capacità di portare a termine un progetto complicato come la costruzione di un organismo vivente complesso. Questo richiede un'estrema precisione nella memorizzazione dell'informazione: le mani di un uomo o le ali di un uccello richiedono una grande quantità di informazione specifiche ed il carbonio è l'elemento migliore che consente tale memorizzazione. Qui e altrove. Dice Cyril Ponnamperuma: "Sono pronto a scommettere il mio ultimo dollaro che, se scopriamo la vita su altri mondi, essa sarà basata su acidi nucleici e proteine... Sul piano chimico, abbiamo molte prove che suggeriscono che la vita su altri mondi sia probabilmente simile alla nostra, anzi, direi quasi identica alla nostra." Tale sicurezza non scaturisce da una fede cieca nell'evoluzione terrestre ma dalla constatazione che non esiste nessun altro elemento, al di fuori del carbonio, che può costruire il numero di combinazioni richieste: il numero di composti del carbonio arriva a 200000, mentre le combinazioni possibili di altri elementi sono inferiori a 20000. La ragione di ciò sta nella capacitàdell'atomo di carbonio di formare lunghe catene (ad esempio gli idrocarburi) che possono legarsi sia tra di loro sia agganciare un gran numero di altre molecole. Alcuni ipotizzano la possibilità che il carbonio possa essere sostituito dal silicio, in quanto questo atomo occupa la stessa colonna della tavola degli elementi ed è come il primo, tetravalente. Ma ciò non è sufficiente: la chimica del silicio è molto diversa dalla chimica del carbonio, come è facile dedurre dalle seguenti semplici considerazioni: I legami silicio-silicio sono più di quelli carbonio-carbonio: lunghe catene durerebbero poco. Il silicio forma il biossido di silicio che non è un gas come l'anidride carbonica bensì il costituente principale delle rocce terrestri: un organismo del genere respirerebbe a cubetti o a cristalli. Naturalmente tutto questo non significa che il carbonio debba intervenire nell'organizzazione di un organismo alieno in modo identico a quello conosciuto sulla Terra: esistono casi in cui certi composti presentano una sequenza di atomi di carbonio che non sono comuni in natura ma che, comunque consentono all'organismo di vivere. Alcuni virus, ad esempio, hanno un composto chiamato uracile al posto della timina. Non c'è ragione di ritenere i 20 amminoacidi costituenti le proteine degli organismi terrestri le uniche scelte possibili. Tuttavia se sono ipotizzabili scelte diverse per il modo di assemblaggio ed il numero di amminoacidi, ciò che gli organismi alieni dovrebbero avere in comune con quelli terrestri è il grado di solubilità dell'acqua: se questa caratteristica fosse molto diversa non potrebbero manifestarsi i processi di catalisi e strutturali che sono essenziali per la vita. Dunque possiamo concludere sia che il carbonio è il materiale migliore per costruire un organismo vivente sia che è necessario un opportuno solvente che nel caso terrestre è rappresentato dall'acqua. Come nel caso della proposta di sostituire il carbonio con il silicio, anche per il solvente sono state proposte soluzioni esotiche, ma tutte cadono di fronte alle caratteristiche fondamentali che il solvente in questione deve possedere e che possiamo così schematizzare:

- Deve essere presente in fase liquida
- Pressione e temperatura devono mantenerlo in fase liquida
deve essere stabile su archi di tempo molto lunghi
- Non deve avere un punto di ebollizione troppo basso: perché la vita si sviluppi è necessario che le reazioni chimiche siano piuttosto veloci. Come la temperatura diminuisce, la velocità si abbassa.
- Dato che la vita richiede tempi lunghi anche confrontabili con la vita della propria stella, se le reazioni chimiche avvenissero lentamente, non avrebbero il tempo di evolversi prima della morte della stella.
- Non deve essere tanto reattivo da scomporre molecole complesse in soluzione
deve essere un buon solvente, ovvero deve dissolvere una vasta specie di molecole complesse e semplici

 

L'acqua risponde a questa serie di richieste in maniera pressocché unica. Essa, infatti:

- Bolle a una temperatura relativamente alta
- Ha la più alta costante dielettrica
- Forma ghiaccio che galleggia
- E' scarsamente reattiva con la maggior parte dei composti
- Nella maggioranza dei composti si dissolve senza decomporsi.

Possiamo dunque concludere che gli ambienti più favorevoli alla vita si basano sul binomio carbonio-acqua.