Fosfina nell'atmosfera di Venere

 

Quando pensiamo a pianeti che possono ospitare la vita certamente Venere non è il primo che ci viene in mente: nonostante dimensioni e massa siano simili a quelle terresti la sua atmosfera è composta quasi interamente da Anidride Carbonica, ha una pressione di 92 atm, una temèperatura di circa 380°C e piogge di acido solforico.

Un bel posticino quindi.

Ultimamente però si è iniziato a rivalutare questo pianeta come possibile pianeta ospitale per la vita, in particolare ci si è concentrati su alcuni strati della sua atmosfera che si trovano a circa 50 km dalla superficie e che presentano condizioni di temperatura simili a quelle terrestri (che definiamo temperate) e di pressione atmosferica.

E' proprio qui, in queste nubi, che gli scienziati hanno rilevato la presenza di una molecola molto semplice eppure molto importante: la fosfina.

Fosfina: chimica e biochimica

La fosfina è una semplice molecola composta da un atomo di fosforo legato a tre atomi di idrogeno.

Possono esserci anche dei derivati che al posto dell'idrogeno presentano dei gruppi alchilici o arilici.

Si prepara industrialmente in vari modi: facendo reagire fosforo bianco con idrossido di sodio (reazione che produce anche ipofosfito di sodio come sottoprodotto), tramite l'idrolisi di un fosfuro di metallo quali il fosfuro di alluminio o il fosfuro di calcio, oppure campioni puri  possono essere preparati usando l'azione dell'idrossido di potassio sullo ioduro di fosfonio.

Sono molto utili in tante reazioni chimiche, in particolare i derivati fenilici delle fosfine sono usati insieme a catalizzatori metallici in una importante reazione della sintesi organica che permette di formare nuovi legami C-C (la reazione di Sonogashira).

Un altro modo in cui la fosfina può essere prodotta è tramite l'azione di alcuni batteri anaerobici, cioè che vivono in assenza di opssigeno, e per questo motivo può essere considerata un indicatore della presenza di forme di vita su pianeti ed esopianeti. 

 

Fosfina su Venere

Le misurazioni dell'atmosfera di Venere sono state fatte sfruttando una particolare banda di assorbimento della fosfina, utilizzando una tecnica spettroscopica e le osservazioni di due differenti telescopi ottenute autonomamente.

La presenza di PH3 nell'atmosfera è stata quindi confermata oltre ogni ragionevole dubbio ed è stata stimata essere di circa 20 ppb (parti per miliardo).

Restava da capire, escludendo ovviamente la presenza di laboratori ed industrie sulla superficie, se qualche evento naturale potesse essere responsabile.

La presenza di PH3 implica una fonte atmosferica, superficiale o sotterranea di fosforo, o la consegna dallo spazio interplanetario. Gli unici valori misurati del fosforo atmosferico su Venere provengono dalle sonde di discesa Vega 32 , che erano sensibili solo al fosforo come elemento, quindi non era in grado di distinguere le varie forme e molecole in cui si presenta, ma nessuna specie di fosforo è stata segnalata sulla superficie planetaria.

spettri JCMT e ALMA dell'intero pianeta attraverso l'intera banda
passante comune a entrambi i set di dati.

La maggior parte del fosforo presente nell'atmosfera o nella superficie di Venere è prevista come forme ossidate di fosforo, ad esempio fosfati. Considerando tali forme e adottando i dati di abbondanza di Vega (il valore più alto dedotto, più favorevole per la produzione di PH3 ), sono andati a calcolare se la termodinamica di equilibrio in condizioni rilevanti per l'atmosfera, la superficie e il sottosuolo venusiano può fornire ~ 10 ppb di PH 3 (considerando quindi un limite inferiore per trovare la soluzione termodinamica più facilmente ottenibile). Hanno trovato che la formazione di PH3 non è favorita anche considerando 75 reazioni rilevanti in migliaia di condizioni che comprendono qualsiasi probabile proprietà dell'atmosfera, della superficie o del sottosuolo (temperature di 270-1.500 K, pressioni atmosferiche e sotterranee di 0,25-10.000 bar, ampio intervallo di concentrazioni di reagenti). In particolare, i ricercatori hanno escluso l'idrolisi del fosfuro geologico o meteoritico come fonte del PH3 venusiano . Si esclude anche la formazione di acido fosforoso (H3PO3 ) perchè la sua formazione a temperature e pressioni di Venere richiederebbe condizioni piuttosto irrealistiche, come un'atmosfera composta quasi interamente da idrogeno.

Le reazioni fotochimiche nell'atmosfera di Venere non possono inoltre produrre PH3 a alla velocità necessaria alla Fosfina stessa per non venir degradata dai raggi UV in un'atmosfera come quella di Venere, e oltretutto per generare PH3 dalle specie di fosforo ossidato, i radicali generati fotochimicamente devono ridurre il fosforo estraendo ossigeno e aggiungendo idrogeno, che richiedono reazioni prevalentemente con H, ma anche con radicali O e OH. I radicali di idrogeno sono rari nell'atmosfera di Venere a causa delle basse concentrazioni di potenziali fonti di idrogeno (specie come acqua H2O e acido solforico H2S).

Si è infine escluso anche che possa essere stata prodotta PH3 attraverso eventi quali fulmini, impatti con oggetti in atmosfera o vento solare perchè la quantità di fosfina prodotta sarebbe troppo inferiore a quella rilevata.

Se nessun processo chimico noto può spiegare la presenza di PH3 all'interno dell'atmosfera superiore di Venere, allora deve essere prodotto da un processo non precedentemente considerato plausibile per le condizioni venusiane. 

Questa potrebbe essere fotochimica o geochimica sconosciuta. 

O forse vita. 

Naturalmente bisogna andarci molto cauti: ad esempio, la fotochimica delle goccioline delle nuvole venusiane è quasi completamente sconosciuta e si deve quindi considerare una possibile fonte fotochimica in fase gocciolina per PH3 (anche se PH3 verrebbe ossidato dall'acido solforico). 

Anche le domande sul perché organismi ipotetici su Venere potrebbero produrre PH3 sono altamente speculative.

La conferma della presenza di fosfina nelle nubi di Venere è quindi una scoperta socuramente eccitante, che apre a molteplici possibilità, ma ancora molti studi sulla geochimica e la fotochimica di questo pianeta andranno fatti prima di poter dire c'è vita su Venere.

Vedere le molecole: filosofia, stregoneria, sogni e computer

A scuola, più o meno tutti quanti abbiamo osservato al microscopio le cellule di cipolla, o magari di sangue. Qualcuno avrà visto anche qualche batterio.

Ma le molecole? Qualcuno le ha mai viste? Gli atomi si possono osservare al microscopio?

Al contrario di quanto avviene per le cellule che, per quanto microscopiche, possono essere osservate piuttosto bene anche utilizzando un microscopio non troppo sofisticato, gli atomi e le molecole sono davvero troppo piccoli per essere visti, persino con il più fantasmagorico dei microscopi.
Questo è stato un gran bel problema per moltissimi secoli, infatti, mentre la fisica era una scienza studiata già dagli antichi greci (basti pensare al Principio di Archimede) e la Biologia fiorì con i primi passi della microscopia all'inizio del 1800, la Chimica e i chimici sono dovuti andare sempre un po' a tentoni, passando dalla teoria filosofica all'antro dell'alchimista.

Prima vennero i Greci

Il primo in assoluto a parlare di atomi fu il filosofo greco Democrito.

Secondo lui l'intera realtà era costituita da particelle minuscole, indivisibili, che differiscono fra loro solo in quanto a grandezza, forma, ordine e posizione, in moto perpetuo fra di loro; proprio questo moto, che porta le particelle a unirsi e a separarsi, è all'origine della nascita, della morte e di tutte le trasformazioni correlate alla vita.

Democrito

Democrito chiama queste particelle Atomi, che vuol dire proprio "particelle indivisibili". Le teorie di Democrito si discostano da quelli che erano i pensieri ricorrenti nella Grecia del tempo, basati maggiormente su concetti più metafisici, e perla prima volta parla di qualcosa di concreto, di misurabile (e su questo tornerà, secoli dopo, un certo Galileo Galilei) e si spinge a dire che persino l'anima non è composta d'altro che da atomi leggerissimi, sottilissimi e lisci.

Il povero Democrito non ebbe molto successo, però, e la sua teoria degli Atomi rimase praticamente inutilizzata fino a tempi molto più moderni.

Chi invece riscosse grande consenso fu Aristotele, che affermava come ogni cosa fosse formata da quattro elementi principali: acqua, fuoco, terra ed aria.

Questa teoria ha avuto talmente successo che tempo dopo un altro filosofo, Empedocle, vi contribuì moltissimo.

Secondo Empedocle la nascita, la morte, la vita in genere, avviene perché c'è una mescolanza e una separazione costante di sostanze che lui individua essere proprio le quattro di cui aveva parlato Aristotele.

Insomma, nessuno ci credeva a questi fantomatici atomi di cui aveva parlato Democrito, d'altro canto nessuno li aveva mai visti!

Gli alchimisti, la chimica e la Pietra Filosofale

Di Alchimia si potrebbe parlare per giorni interi e si potrebbero scrivere tomi lungi migliaia di pagine. L'origine di questa pratica a metà fra la scienza e la magia è antichissima, ma non è certo se provenga dall'antico Egitto o addirittura dal mondo Islamico. Anche in Cina, seppur con metodi e fini molto diversi che si intersecano con la medicina tradizionale, si ritrovano tracce di Alchimia.

"Alchimista" di David Teniers il giovane  

In Europa si diffonde nel Medioevo grazie al contatto con il mondo Islamico e gli Arabi in particolare , riprende il concetto dei quattro elementi (aria, terra, acqua e fuoco) e lo amplia, mischiando occultismo con i primi esperimenti di natura più strettamente chimica. 

Il principale fine degli Alchimisti era la trasmutazione dei Metalli in Oro, in particolare del Piombo, oltre che, naturalmente, la ricerca della mitica Pietra Filosofale, un artefatto che avrebbe dato l'immortalità al suo possessore.

Non è facile distinguere fra processi in qualche modo scientifici e credenze mistiche, perché per gli alchimisti non c'era una vera e propria differenza fra le due cose, perciò troviamo, nella lista dei simboli alchemici, accanto a draghi ed unicorni, anche il mercurio.

Il sogno di Kekulè

Nonostante la chimica vera e propria nasca nel 1700 e la fisica sia una scienza molto molto più antica, di atomi e molecole ancora si parlava con qualche dubbio, soprattutto fra i fisici. 

Ci furono i primi modelli atomici all'inizio del 1900, per tentare di dare una qualche spiegazione della struttura dell'atomo, come quello "a panettone" di Thomson, quello "a planetario" di Rutherford e soprattutto l'atomo di Bohr, quello che (non sempre e con moltissime modifiche) si usa ancora oggi nelle spiegazioni di base.

Modelli atomici (da sinistra) di Thomson, di Rutherford e di Bohr

C'era stato anche qualcuno che aveva provato, soprattutto nella chimica organica, a fare delle ipotesi sulla forma e la struttura delle molecole. 

Uno di questi e probabilmente il più importante di tutti fu il chimico tedesco Friedrich August Kekulé che propose la struttura esagonale del Benzene nel 1865.

La struttura del Benzene e il serpente di Kekulé

Inizialmente Kekulé non volle dire a nessuno e fu solo 25 anni dopo, sotto l'insistenza di amici e colleghi, raccontò come l'incredibile intuizione gli fosse venuta in sogno, quando, addormentatosi davanti al fuoco, sognò un serpente che si mordeva la coda.

Una storia senza dubbio affascinante e un modo alquanto insolito per sopperire al problema delle molecole non visibili a occhio nudo, ma nel 1984 alcuni studiosi dell'università di Chicago scoprirono che Kekulé, pur essendo un brillante chimico, non era proprio quel che si dice un uomo onesto.

Infatti non fu per pudore che tacque per 25 anni, ma perché la sua incredibile intuizione arrivò dopo che quella stessa struttura esagonale era stata già proposta ben 12 anni prima di Kekulé da un chimico francese di nome Auguste Laurent.

Ciechi dalle mani sensibili

Il problema con le molecole è che la lunghezza d'onda del fotone, la particella che compone la luce e che è anche un'onda, è troppo grande rispetto alle distanze che esistono fra gli atomi, per questo è impossibile vedere una molecola a occhio nudo (o con un normale microscopio ottico). 

Appurato che Democrito aveva ragione e che gli elementi sono molto più di quattro, si è quindi fatto ricorso all'immaginazione, se vogliamo chiamarla così, per cercare di capire come fosse fatto un atomo e quale fosse la struttura di tutte le molecole che ci circondano. 

Se per quanto riguarda il singolo atomo, per il momento, non possiamo che affidarci ancora alla teoria, per le molecole fortunatamente abbiamo sviluppato qualche arma in più.

Nel 1895 il fisico Wilhelm Conrad (premio Nobel nel 1901) scoprì i Raggi X. Grazie all'avanzamento di questa tecnica è possibile fare una sorta di "fotografia" di un cristallo, analizzando in quale modo ogni atomo del reticolo cristallino devia la radiazione elettromagnetica. Uno schermo fotografico o, più modernamente, un rilevatore, capta questa radiazione deviata e, tramite degli algoritmi matematici, elabora una struttura del cristallo, posizionando ogni atomo al proprio posto.

Esempio di struttura ottenuta ai Raggi X

Il grande limite di questa tecnica, però, è che la sostanza che si vuole conoscere deve essere cristallina e purtroppo moltissime molecole organiche non lo sono.

Uno strumento utilissimo e usato massicciamente dai chimici organici di tutto il mondo è la Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), che utilizza i nuclei degli atomi (principalmente quelli di Idrogeno e di Carbonio) come dei piccoli magneti che vengono influenzati da un magnete più grande in modo diverso a seconda degli atomi che sono lì intorno. I primi a sfruttare queste proprietà dei nuclei per studiare la struttura molecolare furono Felix Bloch dell'Università di Stanford ed Edward Purcell dell'Università di Harvard, due fisici, nel 1946.

In realtà non è proprio corretto dire che questa tecnica permette di vedere le molecole, perché quello che si ottiene non assomiglia per niente all'immagine che abbiamo di una molecola, ma imparando a interpretare i dati è possibile ricostruire la struttura anche di sostanze sconosciute. 

D'altronde anche con i Raggi X si ottiene una serie di numeri che poi è un computer (o, qualche anno fa, l'abilità dell'uomo) a trasformare in una struttura.

Esempio di Spettro NMR

Un mio professore, a questo proposito, diceva (citando Primo Levi) che i chimici sono come dei ciechi, incapaci di vedere, ma con mani sensibili che permettono di individuare, anche nel buio, la forma delle cose.

Per Appofondire:

• https://www.lsgalilei.org/lavori/Hypertesto/atomismo_dem.htm
• http://www.treccani.it/enciclopedia/alchimia/
• "Diffrazione dei raggi X dai materiali policristallini" di Daniele Mazza
• "Metodi spettroscopici in chimica Organica" di M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh