Il prezzo energetico della complessità: perché senza ossigeno la vita resta semplice

Il prezzo energetico della complessità: perché senza ossigeno la vita resta semplice

La vita complessa richiede molta energia, perché strutture altamente organizzate sono termodinamicamente sfavorite. Un sistema tende spontaneamente verso l’aumento dell’entropia, cioè verso stati più disordinati. Un organismo complesso con tessuti specializzati, organi, reti metaboliche e segnali regolativi è molto più ordinato di un insieme di molecole prive di struttura. Per mantenere questa organizzazione nel tempo è necessario un apporto continuo di energia per compensare le tendenze spontanee alla degradazione e all’equilibrio. La vita non si svolge all’equilibrio termodinamico; esige flussi di materia ed energia attraverso processi catalizzati che mantengono differenze di concentrazione, gradienti elettrici, configurazioni molecolari specifiche. Questi flussi richiedono potenza metabolica elevata. Un metabolismo che genera poca energia per unità di materia non può sostenere reti complesse per lungo tempo. Per questo motivo la disponibilità di un accettore di elettroni con grande salto di energia libera, come l’ossigeno molecolare, è stata cruciale nella storia della vita complessa sulla Terra.

La respirazione aerobica con ossigeno consente un rendimento energetico molto più alto rispetto ai processi anaerobi. In termini termodinamici, trasferire elettroni da un donatore a ossigeno come accettore finale produce una grande quantità di energia libera per molecola di substrato ossidata. Questo permette a un organismo di ricavare molta più energia per unità di materia e di tempo, creando i presupposti fisici per il mantenimento di strutture complesse, flussi metabolici dinamici, reti cellulari differenziate e processi evolutivi che aumentano l’organizzazione. Per miliardi di anni sulla Terra la vita è rimasta microbica e anaerobia; solo quando l’ossigeno ha iniziato ad accumularsi nell’atmosfera e negli oceani si sono resi possibili organismi grandi, tessuti specializzati, sistemi nervosi e cicli ecologici articolati.

Un lavoro recente presentato su arXiv da Daniel Soliz e William Welsh riprende questa connessione fra energia metabolica e complessità e la collega a un vincolo fondamentale della fisica stellare: lo spettro della radiazione che illumina un pianeta. Il punto sollevato è semplice: non basta che un pianeta si trovi nella “zona abitabile” termica, cioè dove l’acqua può restare liquida. La vera questione è se su quel pianeta sia possibile sviluppare e mantenere un metabolismo che produca ossigeno in quantità tali da sostenere, in tempi geologici, una biosfera ossigenata, prerequisito per la complessità.

La produzione di ossigeno rilevante su un pianeta come la Terra è legata alla fotosintesi ossigenica. Questo processo usa la luce come fonte di energia per scindere l’acqua, liberando ossigeno molecolare. La chimica di questa reazione richiede fotoni con sufficiente energia; sulla Terra la gran parte della radiazione utile rientra nel campo del visibile, tra circa 400 e 700 nanometri di lunghezza d’onda. Il Sole emette una grande quantità di fotoni in questo intervallo. Molte stelle, però, emettono spettri molto diversi.

Le stelle nane rosse di classe M sono le più diffuse nell’universo. Il loro profilo spettrale è spostato verso il rosso e il vicino infrarosso. La frazione di energia irradiata nel campo visibile, e quindi di fotoni utilizzabili per la fotosintesi ossigenica, è molto più bassa rispetto a quella del Sole. Soliz e Welsh calcolano che un pianeta simile alla Terra in orbita attorno a una stella molto fredda come Trappist-1 riceverebbe una frazione di fotoni utili per la fotosintesi ossigenica drasticamente inferiore rispetto alla Terra. Anche se la radiazione totale è sufficiente a mantenere acqua liquida sulla superficie, la componente spettralmente utile per scindere l’acqua e generare ossigeno risulta minima.

Questa differenza spettrale ha una conseguenza diretta nei tempi necessari per accumulare ossigeno e quindi per sostenere processi metabolici ad alta potenza. Anche sulla Terra, dopo l’evoluzione della fotosintesi ossigenica, è passato molto tempo prima che l’ossigeno si accumulasse in atmosfera. Per centinaia di milioni di anni l’ossigeno prodotto veniva consumato da reazioni chimiche con ferro ridotto, zolfo e altri composti; solo successivamente, quando i principali pozzi geochimici si sono saturati, l’ossigeno ha iniziato ad aumentare in modo persistente. Questo evento, noto come Grande Ossidazione, avvenne circa 2,3 miliardi di anni fa. Se la produzione di ossigeno è rallentata da una carenza di fotoni utili, allora i tempi per raggiungere un livello di ossigeno planetario significativo si allungano ancora di più.

Gli autori del lavoro stimano che, con la luce di una stella fredda, i tempi per accumulare ossigeno in quantità paragonabili a quelle terrestri possano restare dell’ordine di miliardi di anni, e in molti scenari eccedere l’età tipica di un sistema planetario prima che si instauri una biosfera ricca di ossigeno. Questo riduce la probabilità che si formi un ambiente adatto alla complessità come la conosciamo.

Un elemento chiave dell’analisi riguarda l’ecologia microbica e la competizione fra diversi tipi di fotosintesi. Non tutte le forme di fotosintesi producono ossigeno. Esistono organismi che usano la luce per crescere senza liberare ossigeno, i fototrofi anossigenici. Questi organismi possono sfruttare fotoni di energia inferiore, nel vicino infrarosso, che sono abbondanti nella radiazione delle nane rosse. In un ambiente dominato da lunghezze d’onda più lunghe, questi microrganismi avrebbero un vantaggio competitivo. Crescerebbero e consumerebbero risorse e fotoni in modo più efficiente di eventuali produttori di ossigeno, rendendo difficile per questi ultimi raggiungere la produzione necessaria a cambiare il bilancio chimico dell’intero pianeta. In questo scenario, la biosfera rimarrebbe dominata da metabolismo anossigenico, con atmosfera povera di ossigeno e senza il potenziale energetico necessario alla complessità.

Questo lavoro invita a ripensare la ricerca di vita complessa nell’universo. Non basta cercare pianeti con acqua liquida; è necessario considerare se la radiazione stellare che raggiunge quei pianeti possa sostenere percorsi bioenergetici capaci di generare e mantenere un ambiente ossigenato. La fisica stellare e l’ecologia microbica diventano vincoli integrati nella possibilità che una biosfera segua un percorso verso la complessità.

A questo punto, possiamo pensare di esplorare qualche alternativa. Se attorno alle stelle di classe M la fotosintesi ossigenica è penalizzata dalla scarsità di luce nel visibile, esiste qualche altra via per ottenere ossigeno in modo stabile su questi pianeti? Oppure, andando oltre, è possibile immaginare una vita complessa che non dipenda affatto dall’ossigeno?

Nel caso delle nane rosse fredde, molte delle fonti abiotiche di ossigeno spesso citate in astrobiologia diventano deboli o irrilevanti. La fotodissociazione dell’acqua, per esempio, richiede una quantità significativa di radiazione ultravioletta. Proprio questo è uno dei tratti distintivi delle stelle di classe M più fredde: emettono pochissima radiazione Uv continua. È vero che possono produrre brillamenti, ma questi eventi sono intermittenti, irregolari e più distruttivi che costruttivi per una chimica stabile di superficie. Possono favorire la perdita atmosferica o la degradazione delle molecole organiche, ma difficilmente costituiscono una sorgente affidabile e duratura di ossigeno planetario.

Anche altri meccanismi abiotici noti risultano poco promettenti in questo contesto. La produzione di ossigeno per decomposizione termica di ossidi o per reazioni legate al vulcanismo non genera un accumulo stabile: senza una sorgente continua, l’ossigeno viene rapidamente consumato da superfici ridotte e gas vulcanici. Su pianeti attorno a stelle M fredde, dove l’attività tettonica potrebbe essere limitata o irregolare, questi contributi restano locali e transitori. Non costruiscono un’atmosfera ossigenata, costruiscono al massimo episodi chimici.

Se quindi restiamo nel quadro realistico delle nane rosse a bassa energia, la conclusione è quasi obbligata: non esistono oggi meccanismi noti che possano sostituire in modo efficace e stabile la fotosintesi come fonte planetaria di ossigeno. Dove la fotosintesi ossigenica è sfavorita, l’ossigeno diventa un elemento episodico, non strutturale.

Resta allora la seconda parte della domanda, più radicale: è possibile sostituire l’ossigeno stesso? Dal punto di vista fisico, ciò che conta per la complessità non è l’ossigeno in quanto tale, ma la possibilità di sostenere un metabolismo ad alta densità di potenza, cioè un sistema chimico capace di fornire molta energia libera in modo continuo e controllabile. L’ossigeno realizza questa funzione in modo particolarmente efficace perché unisce tre proprietà rare: è un forte ossidante, è chimicamente compatibile con la biochimica del carbonio, può essere mantenuto in grandi quantità in un’atmosfera senza distruggere immediatamente le strutture che lo usano.

Altri ossidanti potenti esistono, ma non mostrano la stessa combinazione di caratteristiche. Il fluoro e il cloro sono troppo reattivi per sostenere strutture biologiche complesse su larga scala. I nitrati e i solfati possono alimentare metabolismi energeticamente validi, ma in genere solo in ambienti confinati, non come base di un intero ecosistema planetario. Il perossido di idrogeno è instabile e distruttivo. L’ammoniaca, il metano e l’idrogeno molecolare permettono metabolismi riducenti, ma con salti energetici inferiori, adatti a sistemi semplici più che a reti altamente differenziate.

Questo porta a una conclusione prudente. Per quanto ne sappiamo oggi, l’ossigeno non è un dettaglio contingente della storia terrestre, ma la migliore soluzione nota al problema fisico della complessità biologica: come mantenere strutture altamente organizzate lontano dall’equilibrio senza autodistruggerle. In assenza di una fonte stabile di ossigeno, una biosfera può prosperare per miliardi di anni, ma resta confinata a regimi energetici bassi, compatibili con forme di vita microbiche o poco differenziate.

Nel contesto delle stelle di classe M a bassa energia, le più abbondanti nel nostro universo, questo significa che la questione non è soltanto se la vita possa esistere, ma quale tipo di vita sia fisicamente plausibile. I vincoli spettrali rendono difficile sia la produzione biologica sia quella abiotica di ossigeno. L’assenza di una fonte affidabile di Uv elimina molte scorciatoie chimiche. La competizione ecologica favorisce fotosintesi che non producono ossigeno. Tutto converge verso lo stesso esito: biosfere longeve, probabilmente diffuse, ma energeticamente modeste.

Se un giorno dovessimo osservare una biosfera complessa attorno a una nana rossa fredda, basata su un sistema ossidante diverso dall’ossigeno, ci troveremmo davanti a una scoperta che cambierebbe la termodinamica della vita così come oggi la intendiamo. Fino a quel momento, la posizione più solida resta questa: la complessità biologica non dipende solo dal tempo disponibile o dal numero di pianeti, ma da una finestra energetica stretta. Nel caso delle stelle di classe M più fredde, quella finestra sembra, per ora, quasi chiusa. La complessità che si osserva nel nostro pianeta appare dunque rara e anche per questo preziosa.