Il Principio di Esclusione di Pauli afferma che i fermioni (particelle fondamentali dotate di spin semi-intero: quark e leptoni) possono occupare solo uno stato quantico alla volta e non condividerlo con nessun’altra particella uguale. Solo 2 elettroni possono condividere lo stesso orbitale: uno di spin -1/2 e l’altro di spin opposto +1/2 (il segno dello spin indica l’orientamento nello spazio rispetto all’orbitale uno dritto e uno capovolto ↑↓ ).
Per questa semplice regolina la materia è solida, la sedia non cede sotto il nostro peso, non possiamo attraversare le pareti e se urtiamo un mignolo del piede contro uno spigolo questo ci fa un male boia (Effetto Pauli 1)
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Le incerte origini dell’acqua sulla Terra
L’acqua è tutto per questo pianeta. L’acqua è vita; forza motrice, riserva di energia e moderatore degli scambi gassosi atmosferici. Ricopre il 71% della superficie del globo e costituisce il 65% del nostro corpo. Tutte le più grandi civiltà sono sorte lungo i corsi d’acqua e molte sono perite quando questa è venuta a mancare.
Quindi è giusto chiedersi da dove essa è venuta?
Il rapporto D/H rilevato in alcuni corpi del Sistema Solare con le relative barre di errore. La linea blu indica il valore D/H degli oceani della Terra. La linea arancio rappresenta i valori presunti della Nebulosa Primordiale che non si discosta poi molto dal rapporto D/H del mezzo interstellare (linea rossa) Lo sfondo indica la curva di temperatura del Sistema Solare e grossomodo la demarcazione fra una zona più calda (>200 K) e una inferiore. Credit: Il Poliedrico
L’acqua è composta da due elementi fra i più diffusi dell’Universo [cite]http://ilpoliedrico.com/2012/05/le-abbondanze-cosmiche.html[/cite]. Qualche volta però l’isotopo pesante dell’idrogeno il cui nucleo è composto da un protone e un neutrone, il deuterio (D), sostituisce uno (HDO, acqua semipesante) o entrambi (D2O, acqua pesante) gli atomi di idrogeno nella molecola alterandone alcune proprietà fisico-chimiche 1.
Il rapporto tra l’acqua pesante e l’acqua normale indica pertanto la percentuale tra il deuterio e l’idrogeno costituenti l’acqua (D/H). Tutto il deuterio presente nell’Universo si formò durante la nucleosintesi primordiale, nei 3 minuti successivi al Big Bang (D/H = 2,4 x 10-4). Però è anche vero che il deuterio viene distrutto dalla nucleosintesi stellare, tutto quello che ancora rimane proviene da nubi di gas ancora non ancora riciclate in stelle, come quella che fornì il deuterio alla nebulosa primordiale [cite]http://wp.me/p2GRz5-RT[/cite].
Da quello che possiamo intuire da diagramma qui accanto è che il rapporto D/H rimane più o meno costante negli oggetti provenienti dalla Nube di Oort, attestandosi a valori almeno doppi a quelli della Terra e almeno venti volte superiori a quello del mezzo interstellare (D/H = 0,165 – 14 x 10-4). Il motivo di tale arricchimento rispetto al valore di fondo è da imputarsi unicamente alle seppur lievi differenze fisico-chimiche tra l’idrogeno e i suoi isotopi (esiste anche il trizio, costituito da un protone e due neutroni ma è radioattivo e ha un’emivita di soli 12,33 anni). Queste sono responsabili di fenomeni di frazionamento isotopico che avvengono in condizioni di bassa temperatura (< 100° K.) che le arricchiscono di deuterio a scapito del mezzo interstellare [cite]http://iopscience.iop.org/1538-4357/591/1/L41/fulltext/17236.text.html[/cite].
Per quanto riguarda i pianeti esterni indicati nel diagramma è stato utilizzato il rapporto tra deuterio e idrogeno gassoso (H2) osservato in spettroscopia; anche in questo caso i valori indicati sono piuttosto dissimili tra i diversi giganti gassosi. Il motivo di queste differenze è ancora sconosciuto, anche se tra i principali indiziati di questa particolare distribuzione isotopica possono essere sia loro diversa massa (il processo di differenziazione planetaria può aver fatto precipitare il deuterio negli strati più interni dei pianeti più pesanti), ma forse anche alla loro zona di accrezione; mentre Giove e Saturno hanno raccolto il loro materiale nella parte ancora più calda (> 70 – 100° K.) della nebulosa, probabilmente Urano e Nettuno si sono formati in una zona più fresca (< 70° K.) e si sono evoluti da planetesimi piuttosto ricchi di deuterio.
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Un altro rompicapo è l’elevato rapporto D/H di Encelado, una luna di Saturno che, a fronte di un rapporto D/H molto basso del pianeta – non molto dissimile a quello del mezzo interstellare – ha un rapporto non molto diverso da quello degli oggetti della nube di Oort.
Se – per ora – il rapporto D/H degli oceani terrestri appare sfuggire alla comprensione (solo 103P Hartley 2, una cometa gioviana, si avvicina ai valori terrestri), Quello di Venere appare ancora più misterioso: ben 120 volte quello della Terra.
Nel 1993 due ricercatori della Divisione di Geologia e Scienze Planetarie del California Institute of Technology di Pasadena, Mark A. Gurwell e Yuk L. Yung proposero un interessante meccanismo che poteva spegare efficaemente il rebus venusiano [cite]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0032063393900373[/cite] [cite]http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2009JA014055/abstract;jsessionid=36BB06CE6E970E21D7545F06C2508A62.f02t04[/cite]. In pratica la fotodissociazione del vapore acqueo (tutta l’acqua di Venere è in questa forma) tra i 200 e 400 chilometri scinde il vapore acqueo in ossigeno monoatomico e idrogeno molecolare (H2) o deuterato (HD o D2) con diverse velocità; la velocità di espulsione dell’idrogeno giunge così ad essere fino a 8 – 9 volte più veloce del suo isotopo più pesante ed essere così più facilmente disperso nello spazio. Questo meccanismo spiega perché adesso il rapporto D/H sia così alto ma non del tutto: occorre che anche la massa d’ acqua del pianeta (ipotizzando che Venere abbia avuto un rapporto D/H inizialmente simile alla Terra) sia stata interamente degassata solo 500 milioni di anni fa [cite]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103599961869[/cite].
Anche l’indice marziano è almeno 50 volte superiore al nostro; anche lì lo stesso meccanismo di deplezione dell’idrogeno gassoso dall’atmosfera visto per il caso di Venere ha prodotto un incremento notevole del deuterio rimasto. Anche in questo caso, conoscere esattamente il tasso di deperimento dell’idrogeno rispetto al suo isotopo pesante potrebbe consentire di estrapolare quando Marte perse la capacità di sostenere acqua liquida e la sua già tenue atmosfera.
Alla luce di queste informazioni per cercare di rispondere ancora alla domanda iniziale occorre partire dalle origini del Sistema Solare, più di 5 miliardi di anni fa. Allora tutto quello che vediamo oggi era solo polvere e gas interstellari, una tipica nebulosa in lenta contrazione da cui sarebbero poi nati il Sole e i pianeti.
Fin da quando l’Ipotesi Protonebulare prese credito nella comunità scientifica, i dubbi sulla provenienza dell’acqua sul nostro pianeta furono fonte di discussione. L’acqua era di origine endogena o esogena alla Terra? I calcoli mostravano che il pianeta si era formato 4,5 miliardi di anni fa in una zona (fascia) protonebulare dove la viscosità delle polveri raggiungeva i 900 Kelvin. l’idea che l’acqua esistesse a quelle temperature sembrava impossibile. Eppure probabilmente è quello che avvenne.
Una certa quantità d’acqua poteva essere intrappolata negli alluminosilicati (zeoliti) e nelle olivine (ringwoottiti) come idrossidi. Anche quando l’evento Theia (la nascita della Luna) rifuse il pianeta, una certa quantità d’acqua rimase ancora intrappolata nel mantello 2 e quando per degassamento raggiunse poi la superficie può aver contribuito al raffreddamento della crosta terrestre e formato i primi oceani.
Comunque per quanto una parte dell’acqua terrestre possa essere di origine endogena ancora il conto non torna. Nel 2009 il geochimico francese Francis Albarede, dell’Ecole Normale Supérieure di Lione, propose che la Terra fosse stata essenzialmente arida al momento della sua formazione. Gli altri elementi volatili sarebbero arrivati sulla terra atttraverso l’Intenso Bombardamento Tardivo dagli asteroidi più interni nei 100 milioni di anni successivi alla formazione della Luna [cite]http://www.nature.com/nature/journal/v461/n7268/full/nature08477.html[/cite]. A conferma di questa teoria c’è l’indice D/H delle varie meteoriti condritiche (CC) che esprimono un valore virtualmente identico a quello terrestre.Per contro, c’è ragionevolmente da aspettarsi che non furono solo gli asteroidi più interni a cadere sulla Terra ma anche oggetti più esterni come le comete della fascia di Kuiper e della Nube di Oort, tutti oggetti con un rapporto D/H molto diverso da quello dei nostri oceani, tanto che questo oggi apparirebbe diverso anche da quello delle condriti 3.
Oppure, è questa l’ipotesi più probabile, il materiale che costituì poi la Terra era solo parzialmente povero di composti volatili. Fu sufficiente una concentrazione da 500 a 3000 ppm di acqua nei planetesimi durante la fase di accrezione per avvicinarsi almeno alla metà di acqua presente sulla Terra e ridimensionare in parte l’importanza dell’apporto tardivo delle comete. Quindi una miscela di acqua endogena (±50% con DH 1.5 x 10 -4) e acqua esogena (± 25% con D/H 3.0 x 10-4 e ± 25% con D/H 1.7 x 10-4 ) poteva produrre un D/H intorno 1,9 x 10-4, vicino ma forse non abbastanza ai valori attuali.
Certo che acqua con un rapporto D/H uguale agli oceani terrestri che ne giustifichi anche la quantità non si trova da nessun’altra parte del Sistema Solare:gli asteroidi interni hanno grossomodo il giusto rapporto ma non possono giustificarne la quantità e le comete il contrario. Senza dimenticare che su un pianeta dinamico come il nostro nel giro di 4 miliardi di anni i numerosi processi di frazionamento isotopico possibili possono aver alterato il rapporto fra deuterio e idrogeno tanto da renderlo unico in tutto il sistema.
Per concludere, appare evidente che aspettarsi una risposta alla domanda iniziale “Da dove viene tutta l’acqua della Terra?” studiando il solo rapporto D/H è – a mio avviso – del tutto vano. Troppi sono i meccanismi che alterano il rapporto tra deuterio e idrogeno, e qui ne ho descritti solo alcuni.
L’eterno dibattito insoluto: l’origine della Vita sulla Terra
Solo poche ore fa in un convegno scientifico di geofisica svoltosi a Firenze è stata presentata l’ipotesi che la vita sulla Terra abbia avuto piuttosto origine su Marte. Molti altri blog hanno ripreso la notizia come oro colato, ma non credo che sia così.
Cristalli di diossido di molibdeno (MoO2, in violetto).
L’interscambio di materiale tra i pianeti del Sistema Solare in sé è, almeno in un senso, ampiamente provato, come i resti di antichi frammenti marziani rinvenuti sulla Terra mostrano 1 .
La teoria ora proposta a Firenze da Steven Benner 2 alla conferenza di geochimica Goldschmidt vuole che le condizioni passate su Marte siano state molto più favorevoli alla vita che sulla Terra, e che da lì, una volta sviluppata, la Vita – o più probabilmente i suoi precursori – sia finita sulla Terra attraverso il medesimo meccanismo meteorico.
La teoria di Benner parte dall’ipotesi che la Vita quale la conosciamo abbia avuto origine da molecole di RNA 3 e che alcuni metalli, il molibdeno 4 5 e il boro, abbiano avuto un ruolo determinante nella stabilizzazione delle prime molecole organiche nella sua forma altamente ossidata.
Diversi esperimenti mostrano infatti che il molibdeno e il boro, in forma di composti altamente ossidati, sono dei catalizzatori cruciali per la formazione delle molecole di RNA [cite source=’pubmed’]11906160[/cite] [cite source=’pubmed’]21221809[/cite]. Ad esempio, i catalizzatori a base di boro aiutano a stabilizzare le molecole di zucchero composte da cinque atomi di carbonio mentre i catalizzatori a base di molibdeno riorganizzano questi zuccheri in ribosio. Inoltre, l’abbondanza di acqua nella Terra primordiale avrebbe impedito la formazione delle molecole di RNA 6 e la sostanziale assenza di ossigeno atmosferico avrebbe impedito la stabilizzazione del boro in borati 7 e dei catalizzatori di molibdeno.
Il meteorite MIL09000 ritrovato in Antartide nel 2010. Si ritiene che abbia circa 700 milioni di anni.
Credit: Johnson Space Center /NASA
A sostegno delle idee di Benner sono la scoperta di argille ricche di boro in un meteorite marziano, MIL 090030 [cite]10.1371/journal.pone.0064624[/cite] [cite]10.1111/j.1945-5100.2012.01420.x[/cite] e la straordinaria scoperta della ricca presenza di ossigeno nel mantello marziano almeno 3,7 miliardi di anni fa [cite]10.1038/nature12225[/cite].
Un ambiente ricco di ossigeno (il mantello marziano), il boro (nelle argille marziane) e il molibdeno sono essenziali – secondo Benner – per la nascita e lo sviluppo di molecole di RNA, precursori di ogni altra forma di vita, e il primitivo Marte molto probabilmente lo era.
Per contro – e pare assurdo – le condizioni ambientali terrestri di quando si presume si siano formate le prime forme di vita 2-3,5 miliardi di anni fa, sono molto scarse a causa della dinamicità geologica del pianeta e resti più antichi di 3,8-4 miliardi di anni sono molto difficili da trovare e studiare 8. Per questo non sappiamo esattamente quali siano state le condizioni chimico-fisiche presenti sulla Terra alla fine dell’Adeano [cite]10.1038/nature10655[/cite] [cite]10.1038/nature11679[/cite] e se la Terra era umida quanto oggi o se, più probabilmente, molta acqua e ossigeno erano ancora intrappolati nel mantello superiore. 4 miliardi di anni fa il Sole era un po’ più debole di oggi e solo un massiccio effetto serra prodotto da una atmosfera satura di anidride carbonica e vapore acqueo scaldava il pianeta. Magari le condizioni auspicate per l’ipotesi marziana (molibdeno, boro e ossigeno) erano comunque presenti nel sottosuolo terrestre che offriva condizioni fisiche (temperatura, pressione etc.) piuttosto stabili e al riparo dalla radiazione ultravioletta del Sole che, in assenza di una barriera di ozono, sterilizzava la superficie del pianeta.
Finora le prove di Benner confermano che sul Pianeta Rosso sono esistite in un lontanissimo passato le condizioni favorevoli allo sviluppo della Vita secondo la teoria del Mondo a RNA. Ma ci sono altre teorie, che mi riservo di spiegare più a fondo in seguito, che in assenza di prove contrarie meritano di essere altrettanto prese in considerazione. In attesa, o in assenza, di prove più concrete sull’origine marziana della Vita terrestre o dei suoi precursori, credo che sia opportuno continuare ad indagare e a supporre – per il momento – che la Vita sulla Terra sia autoctona 9.
Quindi perché scomodare il vulcanismo marziano o un impatto meteorico su Marte che ha scagliato RNA marziano qui dopo un viaggio di un paio di milioni di anni? Per me significa solo spostare lo storico dilemma.
Note:
La Dichiarazione di Cambridge sulla Coscienza
Fino a quando gli animali avranno i loro narratori, gli umani avranno sempre la parte più gloriosa della storia, e con questo proverbiale concetto in mente, questo simposio affronterà l’idea che gli esseri umani non detengono da soli le facoltà neurologiche che costituiscono la coscienza come è attualmente intesa.
Il poster della Francis Crick Memorial Conference
Con queste parole il 7 luglio 2012 presso l’Università di Cambridge si sono aperti i lavori della prima edizione del Francis Crick Memorial Conference, dove un importante gruppo internazionale di neuroscienziati e non solo – era presente anche Stephen Hawking – si sono raccolti per rivalutare i substrati neurobiologici della coscienza, dell’esperienza e dei comportamenti correlati negli animali umani e non umani.
Qui gli scienziati hanno affrontato l’eterno dilemma della coscienza e della consapevolezza negli animali non umani 1.
Se negli umani la comunicazione verbale consente di comunicare immediatamente il proprio stato d’animo, il dolore fisico o psichico, le paure e le fobie, in poche parole la consapevolezza di sé, per gli altri animali non è così, o almeno non è così palese come in molti mammiferi o primati.
Per alcuni animali superiori, come il cane, il gatto, il cavallo, ma anche il maiale o l’asino, che da migliaia di anni condividono la loro storia con l’animale umano, non è poi così difficile attribuire un certo grado se non di intelligenza ma almeno di consapevolezza; chiunque abbia un animale domestico intuisce il suo stato d’animo, anche se finora una base scientifica assoluta che lo spiegasse non esisteva ancora.
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| Credit: Julian Finn et al,. Current Biology, 14 dicembre, 2009 |
Il polpo, che possiede una massa cerebrale consistente per il suo corpo – in pratica tutto il suo corpo è un enorme cervello – e un apparato visivo – l’occhio – sofisticato quasi quanto quello dei vertebrati terrestri più evoluti, possiede certe capacità di apprendimento e ragionamento che si stenta a credere che siano in possesso di una specie acquatica invertebrata che si è evoluta partendo almeno 200 milioni di anni fa 2 . Ad esempio i polpi hanno mostrato di saper risolvere semplici labirinti, aprire i barattoli e usare creativamente i gusci delle noci di cocco (vedi filmato qui accanto).
Se la leggenda vuole che Napoleone Bonaparte riuscisse a dettare più lettere diverse contemporaneamente, alcuni polpi a loro modo sanno fare qualcosa di simile. Non hanno un linguaggio sonoro come le balene, i delfini o molti vertebrati terrestri, ma sanno cambiare colore. Quello che in origine era un meccanismo naturale di camuffamento si è evoluto fino ad accogliere anche alcune caratteristiche legate alla comunicazione: alcuni polpi sono in grado di comunicare contemporaneamente con altri esemplari della stessa specie usando parti diverse del corpo 3.
Quindi vedete che per quanto il suo comportamento denoti un’intelligenza superiore, non è affatto facile comprendere lo stato d’animo di un cefalopode evoluto come il polpo.
Questi ostacoli però non hanno fermato la ricerca scientifica sulla coscienza/consapevolezza.
In questo campo sono state sviluppate negli ultimi anni nuove tecniche e strategie per la ricerca su animali umani o non umani. Di conseguenza i nuovi dati disponibili impongono una riflessione su molti preconcetti passati.
Molti studi su animali non umani hanno mostrato che nel loro cervello esistono circuiti simili a quelli umani che sono correlati con l’esperienza conscia e la percezione. I substrati neurali delle emozioni non sembrano essere limitati alle strutture corticali. Le stesse reti neurali sottocorticali responsabili dell’affettività negli esseri umani sono importanti per i comportamenti emotivi negli animali. Se eccitate artificialmente le stesse zone del cervello generano lo stesso comportamento corrispondente e gli stessi stati emotivi sia negli esseri umani che negli altri animali.
Ma le similitudini cerebrali fra le varie specie animali non si fermano qui: anche meccanismi come il sonno/veglia e attenzione 4, il meccanismo di punizione/premiazione, la memoria o l’apprendimento sono sorprendentemente simili tra le varie forme di vita di questo pianeta, e appunto molti degli stessi meccanismi si ritrovano anche negli uccelli o negli invertebrati come appunto i cefalopodi.
Questo porta a ipotizzare che la capacità di elaborazione propria del cervello si sia evoluta insieme alla vita animale stessa e che molte caratteristiche neurali finora considerate tipiche dei primati e dei mammiferi e ritenute residenti nella neocorteccia in realtà siano molto più primitive e antiche di quanto fino ad oggi si fosse supposto.
Tutto questo ha portato gli scienziati riuniti a Cambridge a promulgare questa Dichiarazione della Coscienza che estende molte delle caratteristiche ritenute tipicamente umane anche agli animali 5.
E anche se questa dichiarazione per qualcuno può sembrare la conferma della banalità e per altri solo il tentativo di abbassare l’essere umano allo stesso livello degli animali, io credo che debba essere letta in una chiave ancora diversa: quella che apparteniamo tutti a una grande famiglia interconnessa nei modi più impensati e preziosi, finalmente la presa di coscienza da parte dell’animale umano che anche gli altri animali sanno amare e soffrire in egual modo e che deve avere per lo loro lo stesso riguardo che ha per sé stesso.
Altri riferimenti:
Cephalopod intelligence, Wikipedia (eng).
Referendum sulla marijuana in California
Ne avevo già parlato in un altro articolo: Proibizionismo e risorse energetiche per il futuro, sui reali motivi che avevano imposto l’embargo e avevano decretato la criminalizzazione di una pianta conosciuta sempre dall’uomo, adesso in tempi di crisi globale queste idee vengono rimesse in discussione.
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| Cannabis |
Uno studio del 2005 (ovviamente le testate giornalistiche italiane arrivano sempre mooolto in ritardo) dell’economista Jeffrey Miron di Harvard, potrebbe aiutare il dissesto dei bilanci statali e ripristinare la legalità della canapa indiana.
Lo studio è a questo indirizzo: www.prohibitioncosts.org dove è pubblicato il rapporto completo.
In questo studio vengono presi in esame i costi a carico della collettività sulla lotta al traffico illegale di Cannabis e quelli di recupero per i condannati per uso, possesso e spaccio illegale dei prodotti derivati in contrapposizione ad una analisi economica di una eventuale regolamentazione e tassazione di questi (a questo studio aggiungerei anche l’analisi della dott..sa Napoleoni, anche se questa parla di cocaina gli effetti dell’economia illegale sono gli stessi).
Questa relazione in pratica afferma che la legalizzazione della Cannabis potrebbe ridurre la spesa pubblica degli Stati Uniti per 7,7 miliardi dollari all’anno. La legalizzazione della stessa porterebbe un gettito fiscale di 2,4 miliardi di dollari solo se fosse tassata come tutte le altre merci e 6,2 miliardi dollari se venisse adottata l’accisa che ora pende su alcool e tabacco. Questi effetti sul bilancio possono addirittura essere più importanti e sottostimati nel rapporto, ma comunque una differenza di 14-15 miliardi di dollari sono troppi per non essere visti.
Questa relazione in pratica afferma che la legalizzazione della Cannabis potrebbe ridurre la spesa pubblica degli Stati Uniti per 7,7 miliardi dollari all’anno. La legalizzazione della stessa porterebbe un gettito fiscale di 2,4 miliardi di dollari solo se fosse tassata come tutte le altre merci e 6,2 miliardi dollari se venisse adottata l’accisa che ora pende su alcool e tabacco. Questi effetti sul bilancio possono addirittura essere più importanti e sottostimati nel rapporto, ma comunque una differenza di 14-15 miliardi di dollari sono troppi per non essere visti.
Questo rapporto fu presentato all’allora Presidente G. W. Bush da 500 economisti ma ovviamente per lui era più importante giocare a Risiko con il resto del mondo che ascoltare studi scientifici, ma adesso la Marijuana Policy Project ha deciso di scendere in campo a novembre con un referendum in California per chiedere di ripristinare la legalità della coltivazione della Cannabis (San Francisco Chronicles).
Uno dei promotori, Richard Lee, fondatore di Oacksterdam, parla di 1 miliardo di dollari di entrate attraverso la tassazione della Cannabis per lo stato della California – che attualmente soffre di un deficit di bilancio di oltre 40 miliardi di dollari – e anche lo stesso governatore Schwarzenegger è sembrato interessato alla vicenda: “Penso che dobbiamo studiare molto attentamente quello che stanno facendo gli altri paesi che hanno legalizzato la marijuana” ha detto.