L’origine degli elementi
Paolo Saraceno
IFSI-INAF
Si parlerà dei processi che :
- hanno trasformato gli atomi originati dal Big Bang nelle specie che abitano la terra.
-attraverso una continua “complessificazione” della materia,
- seguendo il quadro che appare dalle osservazioni,
- nell’ipotesi che tutto sia avvenuto seguendo le leggi della natura.
novembre2008
Big
Bang
Un processo di crescente
“complessificazione”
miliardi
9
7
6
?
3.6 miliardi d’anni
5
4
3
2
A.D.
0
1000
2050
Popolazione Mondiale
1
schema che seguiremo:
1) IlBig Bang: che ha prodotto i due atomi più semplici che esistono in natura
Idrogeno (H)
Elio (He)
2) Le stelle: dove si sono costruiti tutti gli altri atomi.
3) Le molecole: costituite da più atomi legati tra di loro
4) La vita e la sua evoluzione
Con il Big Bang, 13.7 miliardi di anni or sono, comincia la nostra storia
un fatto accettato con difficolta
Tra le ragioni che rendevano difficile accettare il Big Bang, alcune erano
legate alla questione dell’origine della vita
Espansione di 10+30
in 10-35 secondi
Fred Hoyle combatte per tutta la vita l’idea di Big Bang
(inventò il nome Big Bang, per deridere il modello).
Perchè l’Universo era troppo giovane per permettere
l’evoluzione che si osservava sulla Terra
Per l’origine della vita sostenne la teoria
della panspermia che richiedeva
all’Universo di esistere da sempre
Le combinazioni possibili per un enzima sono: ~ 1050
Le combinazioni possibili per il DNA : ~ 10100
E gli atomi dell’universo “solo” : ~ 1080
, Ipotizzando che sulla Terra:
- esista tanta acqua da coprirla con un oceano profondo 10 Km (5.5 1021 litri )
- in cui si produce un miliardo di catene di DNA al secondo per ogni litro
d’acqua .
In 10 miliardi di anni (la Terra esiste da 4) si sarebbero
prodotte “solo” 1039 catene. Si sarebbe esplorato solo un
infinitesimo dei casi possibili: 1 ogni 1061
L’Universo è troppo giovane per aver
allinenato in modo casuale le basi che
formano la sequenza del DNA
La natura poi è ancora più complessa
L’ISOMORFISMO è ancora più inspiegabile
combinazioni possibili
per DNA : ~ 10100
La stessa mutazione in almeno 2 individui di una specie è impossibile
Ancora più impossibile in individui di specie diverse !!!
Ragno granchio. I ragni granchi si avvalgono del loro perfetto
mimetismo per catturare gli insetti che impollinano i fiori.
Il colore dei fiori e del ragno sono programmati da geni simili.
Il Big Bang è avvenuto 13.7 anni fa, la Terra è nata da “soli” 3.8 milardi di
anni. La spiegazione dell’origine della vita e della sua evoluzione deve essere
compatibile con questi tempi, per restare nell’ambito della Scienza.
Espansione di 10+30
in 10-35 secondi
Dopo il Big Bang la costruzione del nostro mondo.
La temperatura e densità diminuiscono con il tempo
•Dopo 0.1 sec si formano i primi protoni e neutroni…
•A circa 2.5 sec cominciano le reazioni Nucleari : H => He
• a 3.6 min le reazioni nucleari si fermano: densità troppo bassa per continuare
1/4
3/4
L’Universo a 3.6 minuti
Dal Big Bang
Dopo circa 300.000 anni la temperatura scende a circa 3000 °C e i nuclei di H e He
catturano gli elettroni liberi. Nascono i primi atomi
L’Universo continua ad espandersi e a raffreddarsi e diviene buio.
Dopo circa 300 milioni di anni la materia si condensa in nubi compatte
che rapidamente diventano stelle che riportano la luce nell’Universo
Espansione di 10-30
in 10-35 secondi
schema
1)IlBig Bang: che ha prodotto i due atomi più semplici che esistono in natura
Idrogeno (H)
Elio (He)
2) Le stelle: dove si sono costruiti tutti gli altri atomi.
3) Le molecole: costituite da più atomi legati tra di loro
4) La vita e la sua evoluzione.
Come nasce una stella ?
La gravità comprime la materia
sin tanto che al suo centro si
raggiungono temperature 15
milioni di gradi necessarie a
vincere la repulsione columbiana
dei protoni e permettere alle
forze nucleari di agire
Fusione dell’H
+
H
+
γ
e+
2
1
H
+
υ
1
1
1
1
3
2
D
N
+
N
He
+
N
+
+
4
2
He
+
N
+
+
1
1
H
+
1
1
1
1
H  11H  21D  e+  υ
2
1
3
H
+
D  11H  23 He  γ
He  3 He  4 He  2 1H  energia
N
+
+
3
2
He
1
1
H
Il diametro delle stelle
Dipende dall’equilibrio tra l’energia
prodotta al suo interno e la forza di gravità
che tende a farla colassare.
Quando una stella produce:
-molta energia diviene una gigante
- poca a energia diviene una nana
Fusione dell’H
+
H
+
γ
e+
2
1
H
+
υ
1
1
1
1
3
2
D
N
+
N
He
+
N
+
+
4
2
He
+
N
+
+
1
1
H
+
1
1
1
1
H  11H  21D  e+  υ
2
1
3
2
H
+
D  11H  23 He  γ
He  23 He  42 He  2 11H  energia
N
+
+
3
2
He
1
1
H
La zona in cui si raggiunge la temperatura necessaria alla fusione è
tanto più grande quanto più grande è la massa della stella
Log L/Lo
6
L  M4
M
1
2
4
10
-4
1
0
22/12/2015
1
2
Log M/Mo
L
1
16
256
10.000
Vita
1
1/8
1/64
1/1000
16
Un’altra differenza tra stelle “piccole” e
“grandi” è che le stelle grandi
raggiungono temperature più alte al
centro, necessarie a costruire gli atomi
pesanti
H He
C Si
Fe
L  M4
M
1
2
4
10
L
1
16
256
10.000
Vita
1
1/8
1/64
1/1000
Elementi
H He C
tutti gli elementi
17
Massa
esclusa dal
ciclo
evolutivo
NASCITA STELLE
Dense
Funzione di massa
D= 0.5 a.l. M =1 -50 Mo
T. = 10 - 30 K
STELLA
Nane Bianche
Stelle Neutroni
Buchi neri
fusione nucleare
produce
atomi piu pesanti
 M4
 1 / M3
L
NUBI
MOLECOLARI
GIGANTI
H2, CO, NH3,
H2O, CS, OH,
CH4............…
C, N , O,
Si, Mg.......
Fe, Ni, Pb,
U....
Cores
M=104 - 106 Mo
Le stelle, come gli organismi biologici:
nascono, vivono e muoiono.
Quando muoiono rimettono in circolo gran parte
della loro massa per far nascere altre stelle, come
fanno gli organismi biologici.
E’ un processo in continua evoluzione:
ad ogni generazione, la composizione chimica della
materia da cui nascono le stelle è diversa da quella della
generazione precedente e nascono stelle diverse
L’Universo è quindi,
diverso da quello che è stato in passato e
da quello che sarà in futuro
Un’evoluzione cominciata nello spazio interstellare
e poi continuata sulla Terra con le specie biologiche
•Dall’inizio
La creazione
di queste
quantità
atomi pesanti è il combustibile
dell’Universo
si èpiccole
consumato
pocodiidrogeno....
che ha illuminatol’Universo negli ultimi 13.7miliardi d’anni.
3.6 minuti dopo
il Big Bang
14.5 miliardi d’anni
dopo il Big Bang
Altri elementi
2,3%
Elio
25%
Idrogeno
75%
Big Bang
Elio
24.7%
Idrogeno
73%
Universo Attuale
Come si sono concentrati sulla terra gli elementi necessari alla vita
Altri elementi
2,3%
13.7 miliardi di anni
Elio
25%
Elio
24.7%
Idrogeno
75%
Idrogeno
73%
altri atomi
7%
Big
Bang
Universo Attuale
Magnesio
13%
Ferro
35%
Silicio
15%
Ossigeno
30%
3.6 miliardi di anni
Azoto
3,3%
Calcio Altri atomi
1,2%
1,5%
Fosforo
1%
Idrogeno
9,5%
Carbonio
18,5%
Ossigeno
65%
Esseri viventi
Calcio
4,7%
Ferro
6,2%
Alluminio
8,3%
Magnesio
2,8%
Sodio
2,3%
Silicio
27,2%
Potassio
1,8%
Altri atomi
1,3%
Ossigeno
45,5%
Crosta Terrestre
Terra
schema
1)IlBig Bang: che ha prodotto i due atomi più semplici che esistono in natura
Idrogeno (H)
Elio (He)
2) Le stelle: dove si sono costruiti tutti gli altri atomi.
3) Le molecole: costituite da più atomi legati tra di loro
4) La vita e la sua evoluzione.
3.8 miliardi di anni fa
finisce il bombardamento dei meteoriti
la Terra si solidifica
4.6 miliardi di anni fa
Nasce la terra
La terra primordiale
Stromatoliti: rocce di carbonato di calcio (CaCO3)
Derivano dalla fossilizzazione di grandi colonie di cianobatteri
che inducono la trasformazione del bicarbonato di calcio
Ca(HCO3)2 , disciolto nell’acqua, in carbonato di calcio (CaCO3)
che precipita catturando al suo interno i cianobatteri.
La terra quando è nata la vita
La terra primordiale
La vita è chimica
Controllo ??
L’origine delle specie
Dopo il Cambriano esplode l’evoluzione
- 510 (0)
milioni d’anni fine del Cambriano
- 370 (+ 140)
“
“
i primi anfibi
– 300 (+150)
“
“ i rettili colonizzano la terra.
– 250 (+260) “
“i Dinosauri : i più grandi
animali che siano mai esistiti sulla terra
La natura che aveva sonnecchiato per 3000 milioni d’anni esplode !!
A -250 milioni d’anni (a 260 milioni d’anni dal Cambriano)
compaiono i Dinosauri
Che si estinguono a - 65 milioni d’anni
Con la scomparsa dei dinosauri i mammiferi diventano le specie
predominanti, all’inizio deponevano uova …
poi si adattarono ai nuovi ambienti e progressivamente comparvero
cavalli, elefanti, rinoceronti, lupi e scimmie.
Il resto è storia recente:
- 3.5 milioni d’anni l’età di Lucy
-
2
“
“
l’homo abilis
- 500.000 anni l’Homo erctus e la scoperta del fuoco
- 30.000 scompare il Neandertal e si afferma il Sapiens Sapiens
cioè noi
Costruendo strutture organiche sempre
più complesse
Cellula
Il mattone costituente di ogni vivente
In quella prima cellula c’era già la sintassi
con cui si scriveranno le istruzioni per
costituire gli organismi più complessi.
E inizia un nuovo processo di
“complessificazione” tutto “molecolare”
Nascita la vita
L’evoluzione della
vita è stata
l’evoluzione della
cellula
che nel tempo è
divenuta sempre
più complessa
Costruendo strutture organiche sempre
più complesse
Cellula
Il mattone costituente di ogni vivente
Che nel tempo diviene più complessa
Colonie di Cellule
1.8 miliardi
Tessuto
Negli organismi la complessità cresce con
l’evoluzione
Un insieme di cellule simili
Organo
Composto da tessuti diversi
Organismi
Composto da organi e tessuti diversi
Cellula
Il mattone costituente di ogni vivente
Che nel tempo diviene più complessa
Colonie di Cellule
1.8 miliardi
Tessuto
Un insieme di cellule simili
Per alcune specie come api o formiche
la vita dei singoli individui ha poco senso
Organo
Composto da tessuti diversi
Organismi
Composto da organi e tessuti diversi
Gruppi
Composti da più individui della stessa specie
Cellula
Il mattone costituente di ogni vivente
Che nel tempo diviene più complessa
Colonie di Cellule
1.8 miliardi
Tessuto
Un insieme di cellule simili
All’interno dei gruppi e delle popolazioni
- gli individui collaborano
- si scambiano informazioni
- realizzano strutture complesse
Nasce: l’evoluzione culturale
Un processo che caratterizza molte specie
(c’era anche tra i dinosauri)
Che nella specie uomo ha
la sua massima espressione.
Creando strutture sociali e fisiche
sempre più complicate.
(per interpretarle nasce: il diritto,
l’economia, la sociologia, la psicologia ecc.)
Organo
Composto da tessuti diversi
Organismi
Composto da organi e tessuti diversi
Gruppi
Composti da più individui della stessa specie
Popolazioni
L’insieme dei gruppi che vivono sullo stesso territorio
Evoluzione Culturale
Avviene in tutte le specie che usanola propria intelligenza per migliorare la qualità della vita,
inventando cose utili, acquisendo esperienza e trasferendola ad altri individui della specie.
- evolve attraverso le invenzioni equivalenti alla mutazioni nella evoluzione biologica
- si trasmette attrverso la conoscenza, anche tra individui della stessa generazione
-selezione attraverso le scelta delle delle invenzioni migliori
- si sviluppa ogni volta che una innovazione è diffusa all’interno di una specie
- accellera ogni volta che cresce la capacità di comunicare tra gli individui.
Nell’uomo alcune tappe sono:
- 2.5 milioni di anni: Homo Abilis si differenziano dagli animali costruendo i primi utensili
- 45.000 anni nascita del linguaggio
- 5.000
“
la scrittura
-1439 Gutemberg inventa la stampa e inizia l’era moderna
-Oggi con i calcolatori che permettono di immagazzinare grandi quantità d’informazioni
e le reti che le mettono a disposizione di tutti
.
?
La complessificazione dell’universo..
Big Bang
H He
Stelle
gli atomi
H2O
Le molecole
?
Gli organismi
Gruppi e
popolazioni
?
?
conclusione
1) L’Universo è in continua evoluzione
2) il mondo in cui viviamo è il risultato di un processo di
“complessificazione” della materia
- iniziato con il Big Bang
- proseguita all’interno delle stelle con la costruzione
degli atomi più pesanti.
- nel mezzo interstellare con le molecole e una chimica
sempre più complessa
- sulla Terra con la nascita e l’evoluzione della vita
- infine con strutture sociali complesse che
condizionano l’evoluzione biologica
Non dimentichiamo che la maggior parte delle specie del
passato si è estinta.
Rischiamo di fare anche noi la fine dei dinosauri??
FINE