Il fosforo dalle stelle agli organismi terrestri

Diego Tesauro

E’ noto come il fosforo sia un elemento essenziale per la vita sulla Terra. La sua abbondanza nell’universo e la sua evoluzione chimica costituiscono ancora degli enigmi non risolti.

La nucleosintesi del fosforo, secondo i modelli che descrivono la formazione degli elementi chimici, avviene durante le esplosioni di supernova con processi di cattura neutronica dall’isotopo 28Si formando il 29Si e 30Si fino ad ottenere il 31P.  Nelle condizioni in cui si forma il fosforo può catturare un protone e per decadimento alfa generare di nuovo 28Si per cui la sua ricerca nello spazio è un oggetto di studio da parte degli astronomi.

A queste problematiche si affianca un’altra relativa alla sua evoluzione chimica nel sistema solare fino alla sua presenza negli organismi viventi presenti sulla Terra.  Dopo l’ossigeno , il  carbonio, l’idrogeno, l’azoto, il calcio, il fosforo è il sesto elemento per abbondanza in massa nell’uomo fino a raggiungere l’1.2% dell’intera massa corporea. Il fosforo è presente nello stato di ossidazione +5, come ione fosfato, nell’idrossiapatite Ca3(PO4)2.Ca(OH)2, sia nello scheletro che nei denti. Ma anche si ritrova come fosfato organico in tutte le cellule, con un atomo di ossigeno legato al carbonio negli amminoacidi delle proteine in modifiche post-traduzionali, nei fosfolipidi, che costituiscono le membrane cellulari, nell’ATP permettendo reazioni termodinamicamente non permesse nella biochimica degli organismi, nei nucleotidi del DNA ed RNA consentendo la formazione delle lunghe catene. Quindi il fosforo gioca un ruolo essenziale per tutte le forme di vita, proprio perché coinvolto nell’informazione genica e nella costituzione della parete della cellula stessa. Nello studio della genesi della vita sulla Terra ci si è posti l’interrogativo su come questo elemento sia stato coinvolto, fin dalle forme primordiali di vita presenti nei fondali degli oceani. Sulla crosta terreste la presenza del fosforo, per lo 0.1% della massa della crosta, è per la maggior parte confinata nelle apatiti, una famiglia di minerali insolubili in acqua. Quindi, da dove proveniva il fosforo necessario ai primi organismi viventi posto che questi hanno avuto origine nell’acqua? Questa domanda non ha una risposta certa, ma negli ultimi decenni si sono avanzate ipotesi molto plausibili, che il fosforo presente negli organismi viventi, abbia, almeno inizialmente, un’origine extraterrestre a seguito della caduta di meteoriti o comete sulla Terra. Le meteoriti sideriti, cioè quelle costituite da metalli per la maggior parte da una lega ferro-nichel, contengono anche un minerale, rinvenuto in Slovacchia alla metà del XIX, la schreibersite

un fosfuro di Ferro e Nichel (Fe,Ni)3P .

La schreibersite reagisce in acqua rilasciando composti del fosforo negli stati di ossidazione +3 e +1, come il fosfito HPO32− e l’ipofosfito  H2PO2 (1). Entrambi gli anioni sono significativamente più solubili dei fosfati a pH neutro ed in presenza dei cationi Ca2+ e Mg2+,come si verifica nella composizione dei moderni mari. Queste condizioni si sono verificate negli eoni Adeano ed agli inizi dell’Archeano, circa 4 miliardi di anni fa, per cui negli oceani doveva esserci un’elevata presenza di fosforo ridotto. Una verifica sperimentale è stata condotta analizzando sedimenti carbonati marini dell’Archeano, dimostrando l’effettiva presenza di fosfiti. In questa ipotesi, per distinguere il fosforo terrestre da quello di provenienza extraterrestre non è d’aiuto la composizione isotopica, contrariamente ad altri elementi, in quanto di tutti gli isotopi del fosforo, solo uno è stabile il fosforo-31 per cui in tutto l’universo è presente al 100% 31P.  L’origine però non poteva essere se non meteoritica, data la ridotta possibilità di ottenere quantità significative quantità di fosfiti nel Archeano con altre reazioni geochimche o a carico di microarganismi  (2). Inoltre la schreibersite, in soluzione acquosa, reagisce in presenza di glicerolo, anche esso presente nelle meteoriti, come dimostrato per la meteorite di Murchison (Figura),  in condizioni termiche modeste generando glicerol-fosfato, precursore dei fosfolipidi. Un’altra ipotesi avanzata è che gli ossoacidi di fosforo (III) non si siano formati sulla Terra, ma che vengano direttamente dalle meteoriti.

Meteorite di Murchinson è un meteorite di tipo carbonaceo, caduto il 28 settembre 1969 nello stato di Victoria in  Australia.

Nella stessa meteorite di Murchison, vero scrigno di molecole prebiotiche, sono stati ritrovati degli acidi alchilfosfonici (RPO(OH)2). Si potrebbe quindi ipotizzare che gli ossoacidi si siano formati nei ghiacci interstellari di acqua e biossido di carbonio alla temperatura di 5K dalla fosfina (PH3). La stessa reazione potrebbe avvenire nelle comete come la 67P/Churyumov Gerasimenko, oggetto della missione Rosetta.

67P/Churyumov-Gerasimenko è una cometa periodica con  periodo orbitale di 6,45 anni terrestri. È stata raggiunta nell’agosto del 2014 dalla sonda Rosetta, dell’Agenzia Spaziale Europea. La sonda, il 12 novembre del 2014, ha rilasciato il lander Philae, che ha raggiunto la superficie della cometa

La presenza della fosfina è stata più volte dimostrata nelle atmosfere di Giove e Saturno, ma anche negli inviluppi circumstellari di stelle di carbonio, dove il fosforo è legato, formando semplici molecole, al carbonio, all’azoto e all’ossigeno. Proprio alla ricerca di composti del fosforo nello spazio interstellare, recentemente un nuovo studio si è concentrato sul monossido di fosforo (3). Questa molecola è stata osservata con il radiotelescopio ALMA nella nube di stelle in formazione della costellazione del Perseo Afgl 5142.

L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) è un radiointerferometro situato nel deserto di Atacama in Cile. È un progetto sviluppato in collaborazione tra Europa, Nord America, Asia orientale e Repubblica del Cile. Lo strumento è utilizzato nello studio in onde millimetriche e submillimetriche delle nubi di gas e polveri nei dischi stellari e nelle galassie

Flussi di gas da stelle giovani e massicce scavano cavità nelle nubi interstellari e sulle pareti della cavità, attraverso l’azione combinata di urti e radiazioni UV della giovane stella si formano molecole. Fra tutte quelle contenenti fosforo, il monossido è il più abbondante. Se quindi la nube collassa per formare una stella come il Sole, il monossido di fosforo può congelarsi e rimanere bloccato nei grani di polvere ghiacciata andando quindi ad accumularsi nelle comete. Questa ipotesi è stata confermata dall’osservazione della cometa 67P/Churyumov Gerasimenko mediante lo spettrometro di massa ROSINA presente nel veicolo spaziale. Anche nella cometa la forma prevalente del fosforo è il monossido di fosforo, circa dieci volte superiore al nitruro idi fosforo. Pertanto il monoossido di fosforo potrebbe essere il precursore del fosforo biotico sulla Terra a seguito della caduta di comete sul nostro pianeta. Da questi recenti scoperte astronomiche, verifiche sperimentali e simulazioni di laboratorio si rende sempre più plausibile un arrivo del fosforo  dallo spazio, anche se la forma dalla quale si sono originati le molecole biologiche che lo contengono resta incerta ed aperta a nuove investigazioni.

1 M.A. Pasek,  D.S. Lauretta Aqueous corrosion of phosphide minerals from iron meteorites: A highly reactive source of prebiotic phosphorus on the surface of the early Earth. Astrobiology 2005, 5(4),515–535.

2 M.A. Pasek, et al. Evidence for reactive reduced phosphorus species in the early Archean ocean  PNAS  2013, 110( 25), 10089–10094. https://doi/10.1073/pnas.1303904110.

3 V. M. Rivilla, et al. “ALMA and ROSINA detections of phosphorus-bearing molecules: the interstellar thread between star-forming regions and comets“Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020, 492(1), 1180–1198. https://doi.org/10.1093/mnras/stz3336

 

 

 

 

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo di WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Google photo

Stai commentando usando il tuo account Google. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...

Questo sito utilizza Akismet per ridurre lo spam. Scopri come vengono elaborati i dati derivati dai commenti.