Chimica

Il carbonio e la vita

Oggi abbiamo una vaga idea di quali siano stati i processi chimici prebiotici che hanno permesso la nascita della vita e, a partire da questi, sono state avanzate delle ipotesi.

La teoria più accreditata afferma che tutti gli organismi viventi provengano da un unico precursore comune, chiamato “Luca” (Last Universal Common Ancestor), il primo vero organismo vivente unicellulare che ha imposto una biochimica di partenza ancora rispettata su tutto il pianeta.

Ma ci si domanda se le componenti che generarono Luca si siano formate sulla Terra o possano essere giunte dallo spazio.

L’esperimento di Stanley Miller (Premio Nobel per la Chimica nel 1934), sul cosiddetto “Brodo primordiale”, ha dimostrato che alcune molecole organiche si potevano formare sulla superficie della Terra primitiva, ma l’idea di una chimica al di fuori della Terra è infondata.

Le ricerche degli astronomi e delle principali agenzie come la N.A.S.A. (National Aeronautics and Space Administration) e l’E.S.A. (European Space Agency) hanno dimostrato la presenza di molte molecole organiche nello spazio e nei corpi celesti.

La disciplina scientifica che si occupa di indagare la vita al di fuori della Terra è l’astrobiologia.

Uno straordinario risultato scientifico è stato ottenuto dalla “missione Stardust” (realizzata tra il 1999 e il 2011), nella quale la N.A.S.A. ha lanciato una sonda all’inseguimento della “cometa Wildt”, per catturare alcune particelle dalla coda, rilevando la presenza di molecole organiche complesse, alimentando l’ipotesi che i primi semi della vita possano essere stati portati sulla Terra da questi corpi ghiacciati.

Nell’agosto 2012, la N.A.S.A. ha inviato il “Rover Curiosity” su Marte, dimostrando che il cratere Gale, in cui è atterrato, era un grande lago in cui scorreva acqua.

Il Rover Curiosity ha anche dimostrato che il sottosuolo possiede ancora oggi condizioni fisico-chimiche per il mantenimento della vita.

Non sappiamo se su Marte c’è stata vita, ma sappiamo che l’universo è pieno di molecole organiche come quelle che ci caratterizzano.

La biochimica basata sul carbonio

Ogni essere vivente in questo pianeta ha in comune con gli altri la stessa biochimica basata sul carbonio, elemento le cui caratteristiche hanno permesso la formazione delle molecole organiche, legando stabilmente altri elementi della vita come l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto e il fosforo.

Questa biochimica basata sul carbonio segue regole fondamentali, come il fatto che gli amminoacidi siano sempre levogiri (L) e gli zuccheri destrogiri (D).

Originariamente i composti del carbonio (organici) vennero definiti dagli scienziati “organici” perché credevano che soltanto gli organismi viventi potessero sintetizzarli.

Nel 1828, Friedrich Wöhler, un chimico tedesco, riuscì a sintetizzare in laboratorio una sostanza presente nelle urine (urea, “ammide”, sostanza di scarto del catabolismo delle urine) partendo da sostanze inorganiche.

Oggi in laboratorio si possono sintetizzare tantissime sostanze e le sostanze organiche sono innumerevoli: se ne scoprono di nuove ogni giorno.

I composti organici provengono dal carbonio, ma sono caratterizzati anche dalla presenza di altri elementi (idrogeno, ossigeno, azoto, acidi nucleici, acidi e basi etc.).

Caratteristiche del carbonio

Il carbonio è un non metallo capace di legarsi con sé stesso e con vari elementi, di solito mediante legami covalenti, fino a formare più di 10 milioni di composti; appartiene al 4° gruppo della tavola periodica, il suo numero atomico è 6 e con livello energetico 2 e 4.

La configurazione elettronica fondamentale del carbonio, che nel momento di legarsi con altri elementi sparisce, è 1s² 2s² 2p² (due elettroni appaiati nel sottolivello “s” e due “spaiati” nel sottolivello “p”, che potrebbe contenere altri elettroni, dal momento in cui presenta tre orbitali “p”).

Per poter spiegare le geometrie molecolari delle molteplici sostanze che il carbonio riesce a formare, noi non possiamo accettare questa configurazione elettronica, perché non è in grado di dare spiegazioni ammettendo solo questo evento; dunque dobbiamo ipotizzare una configurazione elettronica diversa, che si ha inizialmente attraverso la promozione di un elettrone dal sottolivello “2s” al sottolivello “2p”, con la creazione di quattro orbitali con quattro elettroni spaiati.

Le ibridazioni del carbonio

In base ai legami che si formano e a come si mescolano, si possono avere tre ibridazioni:

• Sp = presenta due orbitali ibridi, originariamente 1s e 1p², disposti linearmente con un angolo di legame di 180°;
• Sp = formato da tre orbitali ibridi, originariamente 1s e 2p³, disposti planarmente con angoli di legame di 120°;
• Sp = mostra 4 orbitali ibridi, originariamente 1s e 3p, disposti spazialmente e orientati ai vertici di un tetraedro regolare con angoli di legame di 109,5°.

L’ibridazione sp³ ce l’hanno anche gli alcani, che riescono a formare legami covalenti singoli, tutti σ.

L’ibridazione sp² ce l’hanno gli alcheni, con legame 1 σ + 1 π e quella sp ce l’hanno gli alchini con legame 1 σ + 1 π.

Il legame σ è un legame che si instaura sulla linea che congiunge i nuclei dei due atomi che si sono legati, permettendo la loro rotazione.

Il legame π è un legame rigido e non consente la rotazione degli atomi in esso, limitando le configurazioni che la molecola può assumere, e rende minore la distanza tra i due nuclei coinvolti.

Le forme allotropiche del carbonio

Il carbonio si può presentare in due forme allotropiche differenti: la più morbida (grafite) e la più dura (diamante).

Nel diamante, il carbonio ha un’ibridazione sp³, che conferisce a questo materiale le sue caratteristiche (durezza e trasparenza).

Nel grafite, il carbonio ha un’ibridazione sp², che conferisce a questo materiale le sue caratteristiche (scuro, morbido, friabile).

Recentemente è stato scoperto il grafene, materiale dallo spessore di un atomo che ha la res