Descrizione dell’esperimento LISA-SAM

(Laboratorio Italiano di Simulazione Ambienti -
Simulatore dell’Ambiente Marziano)
Coordinatore: Prof. Giuseppe Galletta
Dipartimento di Astronomia

Esperimento in collaborazione tra:

Università degli Studi di Padova
INAF - Osservatorio Astronomico di Padova
Centro studi e Attività Spaziali “G. Colombo”

Premessa    
Il simulatore    
Il futuro    
Stima dei costi    
Riferimenti bibliografici  
Pubblicazioni sull'argomento

Premessa

Nella ricerca astronomica e spaziale esiste un forte interesse per l’esplorazione del pianeta Marte. Oltre all’interesse geologico o minerario, questo pianeta è una delle sedi privilegiate nel sistema solare dove cercare la presenza di forme di vita, passata o presente.

Infatti Marte e la Terra hanno avuto una storia evolutiva simile fino a circa 3,7 miliardi di anni fa, l'epoca in cui sul nostro pianeta nascevano le prime forme di vita. Da quel periodo l'emissione di gas serra da parte dei vulcani è diminuita, per terminare 200 milioni di anni fa, nell'Amazoniano, come risulta dai minerali dei meteoriti marziani (Nyquist e al. 2001) e dalle rocce studiate dalla missione Pathfinder (Head & Wilson, 1998). La superficie del pianeta ha iniziato a raffreddarsi e l'acqua presente sulla superficie come un possibile oceano (Head e al. 1999) è finita nel sottosuolo oppure è gelata o evaporata. Nel 1976 le sonde Viking 1 e 2 hanno raggiunto Marte e hanno condotto esperimenti per cercare forme di vita. Le analisi sono state fatte con un gas cromatografo e spettrometro di massa (GCMS) e con tre esperimenti: il rilascio di gas marcato (LR= labeled release), il rilascio pirolitico (PR=pyrolitic release) e lo scambio di gas (GEX= gas exchange). Essi hanno prodotto risultati la cui interpretazione è stata dubbia o ambigua (vedi Burgess, 1978). Successivamente, l'analisi di meteoriti provenienti da Marte quali ALH 84001 (Mc Kay e al. 1996) che contengono possibili tracce di vita batterica fossile hanno riacceso la discussione. In attesa di nuovi esperimenti, occorre comprendere quale siano le aspettative di trovare vita nelle condizioni ambientali marziane.

Queste condizioni ambientali sono molto diverse da quelle terrestri: Il suolo marziano non è protetto da un'atmosfera con uno strato di ozono e perciò la pressione al suolo è di 6 mbar e la fluenza UV giornaliera di 361 kJ/m2, confrontati con 1000 mbar e 39 kJ/m2 della Terra (Cockell e al. 2000). La conseguente mancanza di effetto serra produce a circa 20° di latitudine nord, i siti di atterraggio delle sonde Viking 1 e Pathfinder, una temperatura media al suolo tra i -70 ed i -10 °C, a seconda dell'altezza del Sole sull'orizzonte. La temperatura cambia anche di 10 gradi andando dal suolo ad 1 metro di altezza, essendo in basso più calda quando il sole riscalda le rocce e più fredda durante al notte. Dai dati radiometrici delle sonde in orbita intorno a Marte, si vede che occasionalmente la temperatura può raggiungere localmente i 27 °C mentre sulle calotte polari d'inverno arriva a -143 °C. Queste temperature e queste escursioni sono impossibili da raggiungere sulla Terra e devono essere simulate in laboratorio.

Esperimenti condotti in passato hanno mostrato che in assenza di irraggiamento UV materiali biologici possono sopravvivere a condizioni spaziali, grazie a processi quali tra l'altro, la dessiccazione. Questi esperimenti (Mennigmann, 1989) hanno mostrato che esiste una buona coincidenza dei risultati fatti in ambiente extraterrestre con quelli in laboratorio, rendendo plausibile l'utilizzo di studi simulati anche a Terra, con investimenti molto inferiori. Inoltre l'abbassamento di temperatura rende i microrganismi utilizzati più resistenti. A basse temperature (T=-150°C, simili a quelle delle notti marziane) il periodo di sopravvivenza del 90% di spore di Bacillus subtilis non protette raggiunge diverse ore; un tempo ancora maggiore (milioni di anni!) è stato calcolato per spore che abbiano acquisito un rivestimento di polimeri fortemente assorbenti la radiazione UV.

Se la vita si è sviluppata su Marte miliardi di anni fa, può aver trovato un habitat adeguato nel sottosuolo, dove la temperatura e pressione sono maggiori, l'acqua può trovarsi in vari stati (dai clatrati al liquido) e i raggi UV vengono schermati. Occasionalmente, l'arrivo alla superficie può determinare estinzioni o mutazioni di specie maggiormente resistenti all'UV. Diventa cruciale definire con precisione i tipi di esperimenti da fare nelle future missioni e simulare l'ambiente marziano.

Il simulatore

Per svolgere esperimenti in ambienti controllati diversi da quelli terrestri tradizionali, con finanziamenti ottenuti dall’Università di Padova,  nel 2004 e 2005 è stato progettato e costruito un simulatore di ambienti planetari con la collaborazione del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e del Centro Studi e Attività Spaziali (CISAS). Le parti ottiche riguardanti la radiazione UV sono state progettate e costruite dall'INAF-Osservatorio Astronomico di Asiago. Il simulatore è stato costruito dalla ditta CINEL su disegni degli ingegneri partecipanti al progetto.

I partecipanti al progetto sono stati:

Coordinatore:
Prof. Giuseppe Galletta, Dipartimento di Astronomia
Per l'Ingegneria:
Prof. Gianandrea Bianchini, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e CISAS
Prof. Giulio Fanti, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e CISAS
Dr.ssa Francesca Ferri, CISAS
Dr. Daniele Pavarin, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e CISAS
Dr. Carlo Bettanini, CISAS
Per l'Ottica e la criogenia:
Dr. Maurizio D'Alessandro, INAF, Osservatorio Astronomico di Padova
Per la Biologia:
Prof. Giulio Bertoloni, Dip. Istologia, Microbiologia e Biotecnologie Mediche

LISA (Laboratorio Italiano di Simulazione Ambienti) è il primo apparato italiano in grado di riprodurre condizioni così estreme come quelle del pianeta Marte. Attualmente esso si trova presso l’Osservatorio Astronomico di Padova nel laboratorio a piano terra dell’edificio detto “Casa del Munizioniere” dell’antico castello.

Una volta costruito il simulatore lo si vuole utilizzare adesso come apparato sperimentale per svolgere ricerche di Biologia e Geologia in condizioni di temperatura, pressione e atmosfera estreme, non realizzabili altrimenti nei laboratori.



Figura 1: a sinistra: una capsula del simulatore smontata; a destra: le sei capsule nel simulatore durante i test di temperatura.


Negli esperimenti svolti con LISA, i campioni da studiare (suolo, sostanze chimiche o colture batteriche) vengono depositati in recipienti per microbiologia tipo capsule di Petri, ma costruiti appositamente in alluminio dalle officine dell'Osservatorio Astronomico di Cima Ekar, per potersi facilmente raffreddare o riscaldare a contatto. Per garantire la sterilità dell'esperimento, questi recipienti sono poi richiusi ermeticamente in celle di reazione di acciaio di circa 250 cc (Fig. 1) collegate all'esterno con un tubo per il passaggio dei gas. L'imboccatura del tubo è dotata di filtri meccanici di opportune dimensioni (in base alle dimensioni del campione da studiare). I filtri permettono l'ingresso e la fuoriuscita dei gas tramite le pompe ma impediscono la diffusione di microrganismi o di particolato nella camera del criostato. Nella parte alta delle celle di reazione si trovano delle finestre in quarzo che permettono il passaggio della radiazione, inclusi i raggi UV più lunghi di 160 nm. Sopra di essi possono essere alloggiati filtri UV di diverso tipo e spessore, in modo da valutare simultaneamente la risposta dei campioni a dosi diverse di radiazioni. Dopo l'esperimento, i campioni vengono riportati a condizioni ambientali e sottoposti ad analisi, per valutare le variazioni e nel caso di materiale biologico, il grado di de-attivazione o le variazioni metaboliche. Si possono introdurre fino a 6 celle di reazione affiancate.

Figura 2: La cappa anaerobica


Poiché l'atmosfera marziana è composta al 96% di anidride carbonica e circa al 3% di azoto, i campioni biologici verranno preparati in un ambiente isolato dall'atmosfera terrestre, tramite una cappa anaerobica già acquistata per questo esperimento e usata nei Dipartimento di Istologia, Microbiologia e Biotecnologie Mediche (Fig. 2). Nel caso di simulazioni di ambienti sotterranei, i campioni possono essere mescolati a suolo sterilizzato. I campioni dopo l'esperimento verranno riportati a condizioni ambientali e sottoposti a conteggio per valutarne il grado di de-attivazione. Si prevede di introdurre fino a 6 capsule di coltura affiancate (Fig. 1 a destra) ma coperte da filtri UV di diverso spessore, in modo da valutare simultaneamente la de-attivazione dei microrganismi sottoposti a dosi diverse di radiazioni.

Figura 3: a sinistra: La parabola della lampada UV; a destra: una fase dei test UV

Sopra LISA è sospesa una lampada UV ozone-free focalizzata da una parabola costruita presso le officine INAF di Cima Ekar (Asiago- VI), con luce prodotta quasi esclusivamente tra 160 nm e 300 nm (Fig.3).

LISA è stato sperimentato nelle seguenti condizioni:
1) Temperature tra 100 °C e -140 °C
2) Atmosfera con qualsiasi gas, rispettando i requisiti di sicurezza richiesti per gli operatori.
3) Pressione da 3 bar a 10-6 bar
4) Radiazione UV tramite una lampada di 300 W con emissione maggiore tra 160 nm e 250 nm

Nella configurazione "calda", LISA viene riscaldato da una resistenza di 800 W contenuta nella piastra di alluminio sottostante alle celle di reazione. Un controller GEFRAN con temperature programmabili gestisce il valore termico prestabilito. La pressione viene controllata attraverso un misuratore all'uscita delle tubazioni che uniscono le celle ed la pompa.

Nella configurazione "fredda", LISA è stato pensato per riprodurre le condizioni del pianeta Marte. In questa configurazione viene indicato con l'acronimo S.A.M. (Simulatore di Ambienti Marziani). Quando SAM è attivo, viene fatta circolare una miscela composta dagli stessi gas atmosferici dell'atmosfera marziana. SAM viene raffreddato da un flusso di azoto liquido (Fig. 4) e se necessario riscaldato dalla resistenza. Non esiste attualmente un controllo a feedback del flusso di azoto né un monitoraggio dell'atmosfera interna. La pressione viene monitorata dal sensore all'interno del simulatore e collegato alla pompa con controllo manuale.

Figura 4: a sinistra: Il simulatore  chiuso; a destra: una fase dei tests presso la CINEL

Gli esperimenti serviranno a stabilire i limiti delle possibilità che ha avuto la vita di svilupparsi su Marte e chiariranno alcuni aspetti dell'origine della vita. SAM funzionerà anche come facilities di planetologia e a tale proposito è stata già richiesta da un gruppo di ricerca tedesco che propone un'origine della vita tramite batteri metanogeni e da mineralogisti interessati ai processi di ossidazione delle rocce sul pianeta rosso.
Le sei celle da 250 cc contenute in SAM potranno servire anche a testare piccole componenti elettroniche da inviare in ambienti estremi come l'Antartide o a provare processi che devono avvenire in pressione, temperatura e illuminazione controllate ma diverse da quelle ambientali normali.

Il futuro

Si conta di far funzionare il LISA per almeno due anni. La ditta Air Liquide fornirà l’azoto necessario al raffreddamento del simulatore e la sua sponsorizzazione permetterà di condurre gli esperimenti che altrimenti non avrebbero potuto disporre di adeguati finanziamenti. La ditta CINEL, costruttrice del simulatore, contribuirà a sviluppare ulteriori sviluppi tecnici con un contributo minore. Si suppone che anche i gruppi esterni che hanno chiesto di usare SAM forniscano un piccolo finanziamento per il suo funzionamento. Sono stati chiesti fondi al Ministero tramite i PRIN (Progetti di Rilevante Interesse Nazionale). Dovrebbero essere svolti diversi esperimenti biologici, di cui diamo alcuni esempi qui di seguito.

Esperimenti di sopravvivenza cellulare su Marte

Abbiamo ottenuto dei ceppi batterici che sono già stati nello spazio e che hanno dimostrato una particolare resistenza a condizioni fisiche estreme. Si tratta di batteri del genere Bacillus forniti dal Prof. K. Venkatswaran (Jet Propulsion Laboratory, USA), e dei generi Deinococcus e Clostridium (forniti dal DSMZ, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen). Bisognerà preparare ed incubare le colture all'interno della cappa anaerobica comprata per l'esperimento in atmosfera di azoto. Si pensa di fare dei test in funzione della pressione, temperatura, flusso UV e materiali coprenti, per verificare come mutano i seguenti parametri:
a) Sintesi chimiche in atmosfera marziana.
b) Modificazione dei campioni di terreno usato per simulare il suolo.
c) Sopravvivenza cellulare .
d) Mutazioni genetiche.
e)Modificazioni dell'ultrastruttura cellulare.
f) Sintesi proteiche.
g) Sintesi di acidi nucleici.

Dai primi esperimenti si potranno avere i limiti su alcuni tipi di forme di vita che non ci si potrà aspettare di trovare nelle future missioni su Marte. Inoltre saranno definite le condizioni minime di sterilità delle sonde da inviare al di fuori della Terra per garantire l'assenza di contaminazione inversa (dalla Terra a Marte).

Questi esperimenti verranno svolti con la collaborazione del seguente personale dell’Università di Padova:
Prof. Giulio Bertoloni, Dip. Istologia, Microbiologia e Biotecnologie Mediche
Prof Gianni Tamino, Dip. Biologia

 e dell’INAF:
Dr. Maurizio D'Alessandro, Astronomo dell’Osservatorio Astronomico di Padova
Sig. Giancarlo Farisato, tecnico dell’Osservatorio Astronomico di Padova
Sig. Evaristo Bozzato, tecnico dell’Osservatorio Astronomico di Padova

Esperimenti medici

Esiste la possibilità di utilizzare LISA per scopi medici, ad esempio studiando come l'esposizione solare sia associata ad un aumentato rischio di neoplasie cutanee. Nella configurazione "calda" possono essere fatti esperimenti su colture di cellule cutanee. Ad esempio, per studiare la produzione di sostanze immunosoppressive da parte di cellule irradiate con UV di differenti lunghezze d'onda. Questi esperimenti medici, non finanziati, potrebbero essere svolti da gruppi di medici con la collaborazione di personale di Ingegneria e del CNR-INFM.

Origine della vita 

Il simulatore può lavorare in varie condizioni fisiche e potrebbe essere studiata  l'ipotesi che i primi organismi marziani siano stati batteri metanogeni psychroativi, come suggerito dal  Prof. Kotsyurbenko, Gesellschaft für Biotechnologische Forschung, Germania

Mineralogia marziana

Nel simulatore si potrebbe studiare l'ossidazione di campioni di suolo in condizioni marziane, in possibile collaborazione con il Dipartimento di Mineralogia, Paleontologia e Geofisica

Stima dei costi

Il costo dell’esperimento varia secondo l’ambiente che si intende riprodurre. Nel caso di Marte, il mantenimenti delle basse temperature determina il maggior costo. Infatti, per portare le capsule a temperature inferiori a -100 °C con un flusso regolare di azoto sono necessari circa 100 litri di azoto/giorno. Se poi si vuole simulare il ciclo giorno-notte o estate-inverno, occorre anche accendere la resistenza e spegnere il flusso, portando il sistema su e giù nella scala delle temperature con escursioni anche di 80 gradi. Poiché il singolo esperimento non può durare anni, sarà necessario accelerare il ciclo giorno-notte con un maggiore dispendio di energia.

Tenendo conto dei vari costi, l’attività del simulatore nel riprodurre l’ambiente marziano costa circa 250 Euro a settimana.

Riferimenti bibliografici

1. Burgess, E., 1978, To the red planet, New York, Columbia University Press
2. Cockell, C. S., Catling D.C., Davis, W.L., Snook, K., Kepner, R.L., Lee, P., McKay, C.P., 2000, The Ultraviolet Environment of Mars: Biological Implications Past, Present, and Future, Icarus 146, 343-359 (2000)
3. Head, J. W.; Wilson, L., 1998, Interpretation of Mars Pathfinder and Viking Soil and Rock Geochemical Results: A Physical Volcanology Perspective, Lunar and Planetary Science Conference, 29,1328
4. Head III, J. W., Hiesinger, H., Ivanov, M.A., Kreslavsky, M.A., Pratt, S., Thomson, B.J., 1999, Possible Ancient Oceans on Mars: Evidence from Mars Orbiter Laser Altimeter Data, Science, 286, 2134-2137.
5. Mc Kay, David, et.al. (1996). Search for Past Life on Mars: Possible Relict Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH 84001. Science, 2-9.
6. Mennigmann, H. D., 1989, Exobiology: Results of Spaceflight Missions, Advances in Space Research, 9, 3
7. Nyquist, L. E.; Bogard, D. D.; Shih, C.-Y.; Greshake, A.; Stöffler, D.; Eugster, O., 2001, Ages and Geologic Histories of Martian Meteorites Space Science Reviews, 96, 105-164.

Pubblicazioni sull’argomento:

GALLETTA G., FERRI F., FANTI G., D'ALESSANDRO M., BERTOLONI, G., PAVARIN, D., BETTANINI C., COZZA, P., PRETTO P., BIANCHINI G., DEBEI S. (2006). S.A.M., the Italian Martian simulation chamber. ORIGINS OF LIFE AND EVOLUTION OF THE BIOSPHERE. vol. 36 pp. 100 ISSN: 0169-6149

GALLETTA G., SERGI V. (2005). Astrobiologia: le frontiere della vita. (pp. 1-313). ISBN: 88-203-3424-0 (12 capitoli) MILANO: Hoepli (ITALY).



Finanziatori dell'esperimento: