La vita inorganica del fosforo

Rilevato di recente nell’atmosfera del pianeta Venere come possibile segnale di forme di vita, il fosforo ha una lunga storia. Viene dapprima eletto a medicamentum universale, poi accende il fuoco della rivoluzione industriale, partecipa alle guerre mondiali causando un numero imprecisato di morti atroci per poi venire scovato al cuore della struttura della molecola più importante per la vita sulla terra, il nostro DNA.


IN COPERTINA: S.O.S., Evelyn De Morgan

di Laura Tripaldi

I progressi della chimica, come avviene in tutte le scienze, hanno ormai raggiunto un livello tale di complessità che è molto difficile vedere una molecolina inorganica di quattro atomi comparire nei titoli di una rivista come Nature. Forse per questo motivo, scoprire che proprio la fosfina, un composto inorganico così semplice e tutto sommato piuttosto anonimo, potesse essere il primo passo per la scoperta della vita extraterrestre mi ha suscitato una certa meraviglia. Ma partiamo dall’inizio: lo scorso 14 Settembre, è stato pubblicato su Nature Astronomy un articolo che annunciava il rilevamento di un segnale associato alla fosfina nell’atmosfera di Venere. Si tratta di una scoperta di fondamentale importanza, anche perché un articolo pubblicato il 31 Gennaio scorso sulla rivista Astrobiology aveva proposto che il rilevamento di fosfina nell’atmosfera di un pianeta terrestre, come Venere, fosse interpretabile come un segno inequivocabile della presenza di vita. La fosfina, formula chimica PH3, è, come la definisce Jane Greaves, la professoressa a capo del gruppo che ha annunciato la scoperta, la “cugina cattiva dell’ammoniaca”, di formula chimica NH3, a cui somiglia perché il fosforo e l’azoto sono “vicini di gruppo” nella tavola periodica degli elementi. La fosfina è “cattiva” perché è un gas velenoso, maleodorante e infiammabile, prodotta dai batteri responsabili dei processi di decomposizione. Mentre molte altre molecole tipicamente prodotte dagli organismi viventi – dal metano agli amminoacidi – possono essere naturalmente sintetizzate anche per vie abiotiche, cioè senza la necessità di essere prodotte da una forma di vita, la fosfina sembra, almeno nel caso del pianeta Terra, costituire un’eccezione. 

Per capire perché questa scoperta è così eccezionale bisogna partire dall’idea che ogni elemento chimico in un composto è caratterizzato un certo stato di ossidazione, che riflette, detto in modo un po’ generico, la quantità di elettroni che possiede. Per cambiare il proprio stato di ossidazione, in una reazione chimica, un atomo deve scambiare i propri elettroni con un altro atomo, che, di contro, deve essere sufficientemente disponibile a riceverli. Un esempio di trasformazione di questo tipo, che tutti conosciamo, è la combustione: se accendiamo un fornello, il metano reagisce con l’ossigeno atmosferico producendo anidride carbonica e acqua. In questa reazione quotidiana, l’ossigeno atmosferico si lega con il carbonio del metano “strappandogli” un po’ dei suoi elettroni, in un processo conosciuto come ossidazione. Alcuni composti hanno “più voglia” di ossidarsi di altri, una tendenza che in chimica viene misurata da una quantità conosciuta come potenziale di ossidoriduzione. Il fosforo predilige trovarsi in uno stato di ossidazione elevato, cioè povero di elettroni: nella sua forma di gran lunga più comune, esiste come fosfato, accoppiato a quattro atomi di ossigeno che attirano su di sé i suoi elettroni più esterni. Solo nei pianeti giganti gassosi, dotati di temperature elevatissime e di un’atmosfera di idrogeno, la formazione della fosfina può avvenire spontaneamente. In un’atmosfera ossidante come quella di Venere e a temperature meno estreme, riportare il fosforo in uno stato di ossidazione più basso di quello del fosfato significa trovare un modo per “risalire la corrente” del potenziale di ossidoriduzione; e questo processo di “risalire la corrente”, realizzando reazioni chimiche termodinamicamente sfavorite in condizioni ambientali, è proprio quello che gli organismi viventi riescono a fare meglio. 

Tralasciando per ora ogni considerazione sulla possibilità della vita aliena, per me questa scoperta è stata l’occasione di approfondire la conoscenza della storia di uno degli elementi meno noti, ma anche più inquietanti e affascinanti, della tavola periodica. Del fosforo, Primo Levi scrisse che “non è un elemento emotivamente neutro”. In effetti, la sua storia, o meglio la storia della sua controversa simbiosi con noi, inizia tra i fumi del laboratorio di un alchimista del diciassettesimo secolo; una volta scoperto, il fosforo viene dapprima eletto a medicamentum universale, poi accende il fuoco della rivoluzione industriale, partecipa alle guerre mondiali causando un numero imprecisato di morti atroci per poi venire scovato al cuore della struttura della molecola più importante per la vita sulla terra, il nostro DNA. Il divulgatore John Emsley, nel suo libro The Thirteenth Element. A Sordid Tale of Murder, Fire and Phosphorus, ha raccolto una vastissima serie di aneddoti, molti dei quali particolarmente macabri, centrati attorno a questo elemento stupefacente, raccontando il ruolo del fosforo nel corso della storia moderna. Se la fosfina fosse davvero il segnale che ci porterà alla scoperta della prima forma di vita aliena mai conosciuta dall’uomo, si tratterebbe soltanto di un altro tassello nella storia di un elemento la cui importanza storica, culturale e biologica si è già rivelata incredibile. 

Nulla nel fosforo è emotivamente neutro, nemmeno il suo nome, che è, probabilmente, il più solenne e altisonante di tutta la tavola periodica. Letteralmente, fosforo significa portatore di luce; la stessa parola, Phosphoros, era il nome della divinità celeste che i greci associavano alla “stella del mattino”, una stella che, come oggi sappiamo bene, è proprio il pianeta Venere. Il primo incontro diretto dell’uomo con il fosforo nel suo stato elementare, cioè non combinato con altri elementi in un composto chimico, avvenne probabilmente nel 1669 ad Amburgo, quando l’alchimista tedesco Henning Brandt lo isolò per la prima volta seguendo una procedura piuttosto bizzarra. Per capire la logica dello strano esperimento di Brandt, bisogna tenere presente che l’obiettivo profondo dell’opera alchemica era la realizzazione di un’unità, spirituale e fisica, tra la materia inorganica e l’essere umano. Per raggiungere questa unità, secondo gli alchimisti, era necessario esplorare il confine ineffabile tra la vita e la morte, provando a comprendere come la materia morta potesse generare la vita e come gli organismi viventi si decomponessero nella morte. Per questo motivo, molti degli esperimenti alchemici si articolavano attorno a processi di putrefazione di materiale biologico, ad esempio escrementi e sangue, la cui decomposizione, si credeva, racchiudeva la chiave del misterioso cammino che congiungeva la materia e lo spirito. 

Forse ispirato da simili considerazioni, Brandt sperava di ottenere la miracolosa pietra dei filosofi, capace di trasmutare ogni metallo in oro e di curare qualsiasi malattia, a partire dalla propria urina, seguendo una complicata serie di operazioni sperimentali. Per prima cosa, centinaia di litri di urina venivano lasciati putrefare per settimane; dopodiché, l’urina veniva ristretta su una fiamma per ottenere un liquido denso e scuro, che veniva poi distillato, purificato e cotto a temperature altissime per sedici ore in un forno di calcinazione. Seguendo questa procedura, Brandt osservò che, alla fine della cottura, sul fondo della sua ampolla si depositava un solido bianco dall’aspetto ceroso. La misteriosa sostanza, quando il laboratorio era sufficientemente buio, emetteva una debole ma distinta luminescenza verdognola. Era fosforo bianco: la più instabile e pericolosa delle quattro forme elementari del fosforo, costituita da molecole di quattro atomi di fosforo legati in una struttura tetraedrica. La sintesi di Brandt prevedeva numerosi passaggi superflui, ma era efficace perché sfruttava la grandissima quantità di fosfati presenti nell’urina, che, a temperature molto elevate e in presenza di carbonio, possono essere convertiti in fosforo elementare. 

Il fosforo bianco deve la propria luminescenza a continue reazioni di ossidazione che hanno luogo sulla sua superficie, esposta al contatto con l’ossigeno atmosferico. Diversamente da quanto si potrebbe pensare, infatti, il fosforo non è fosforescente, ma chemiluminescente, cioè emette luce come risultato di una reazione chimica che genera molecole in uno stato elettronico eccitato; queste molecole, poi, nel ritornare al loro stato più stabile, liberano energia sottoforma di luce. I materiali fosforescenti, al contrario, assorbono radiazione luminosa dall’esterno, che viene poi riemessa senza che avvenga alcuna chimica. In ogni caso, anche se Brandt realizzò ben presto che il suo fosforo non gli avrebbe permesso di trasmutare il piombo in oro, capì che la sua luminescenza fredda e spettrale avrebbe in ogni caso attratto la curiosità dei nobili dell’epoca. Da alchimista squattrinato, cominciò a vendere campioni di fosforo ad altri alchimisti e scienziati, che iniziarono a esibirlo nelle corti d’Europa. Il fosforo di Brandt attrasse moltissima attenzione: finì anche nelle mani di Wilhelm Gottfried Leibniz, il celebre matematico e filosofo, e del chimico Robert Boyle, il quale condusse numerosi esperimenti che ne caratterizzarono la reattività, scoprendone anche lo spaventoso potere incendiario. Boyle ribattezzò il fosforo noctiluca glacialis, gelida luce notturna. 

A partire dai primi anni del 1700 si diffuse la convinzione che il fosforo bianco, per via della sua miracolosa luminescenza, potesse essere utilizzato come sostanza medicinale. Il fosforo veniva assunto in piccole pastiglie o come “tonico”, bevendo l’acqua in cui era conservato, come rimedio per una varietà di disturbi fisici e psicologici. Questa pratica fu ulteriormente rafforzata dalla scoperta, avvenuta nel 1719, del chimico Johann Thomas Hensing, che rivelò la presenza di massicce quantità di fosforo nel cervello umano. Inutile a dirsi, il fosforo bianco è, in realtà, un veleno estremamente tossico, la cui dose letale è inferiore addirittura di quella del cianuro; a salvare gli sfortunati pazienti era soltanto la sua bassissima solubilità in acqua, che ne rendeva l’assimilazione abbastanza difficile da impedire la morte immediata per avvelenamento. 

Nell’età vittoriana, il fosforo bianco divenne l’ingrediente principale dei fiammiferi, per via della sua piroforicità, cioè la sua tendenza a infiammarsi spontaneamente a contatto con l’aria. Questo era anche causa di frequenti incidenti domestici e nelle fabbriche, dove le operaie che si occupavano della manifattura dei fiammiferi, molte delle quali giovanissime, erano costrette a turni massacranti ed esposte a rischi enormi per la propria salute. Tra le “malattie professionali” più terribili che colpivano le lavoratrici esposte al fosforo c’era l’osteonecrosi della mascella, che provocava un decadimento irreversibile del tessuto osseo della mandibola e che, in uno stadio avanzato, richiedeva l’asportazione dell’intera mascella inferiore. Per queste ragioni, l’utilizzo del fosforo bianco nei fiammiferi venne vietato dalla maggior parte dei paesi all’inizio del Novecento; il vecchio meccanismo di accensione venne rimpiazzato dai fiammiferi di sicurezza in uso ancora oggi, in cui il fosforo, nella sua forma meno reattiva di fosforo rosso, è ancora presente nella striscia laterale di accensione collocata sulle scatole. 

Questa non fu, però, la fine degli orrori del fosforo: durante i conflitti mondiali, il fosforo bianco venne riscoperto come arma incendiaria. Quando il fosforo viene esposto all’ossigeno dell’aria e inizia a bruciare, la fiamma che produce non si estingue facilmente: anche se il fuoco può venire temporaneamente soffocato con l’acqua, appena il fosforo è nuovamente esposto all’aria ricomincia spontaneamente a bruciare fino che non si è completamente ossidato. Dato che il fosforo ha una temperatura di fusione molto bassa, attorno ai 40 gradi centigradi, si scioglie facilmente durante la combustione, creando delle pozze di liquido appiccicoso e fiammeggiante che scoppietta e trasferisce l’incendio con incredibile facilità. Il fosforo bianco è anche noto per la sua efficacia nel produrre barriere di fumo denso e irritante: reagisce con l’ossigeno formando pentossido di fosforo, un composto che si combina immediatamente con l’acqua formando una nebbia densissima di minuscole goccioline di acido fosforico. Anche se l’utilizzo di armi chimiche nei conflitti è vietato da una convenzione internazionale del 1993, il fosforo bianco è classificato come fumogeno e continua a essere utilizzato per scopi bellici. Uno dei casi recenti più incresciosi di utilizzo bellico del fosforo risale al 2005, quando l’impiego di bombe al fosforo bianco come arma incendiaria da parte delle truppe statunitensi nella città irachena di Fallujah provocò centinaia di morti. 

Nonostante la sua enorme potenzialità distruttiva, il fosforo è uno degli elementi più importanti per la vita sulla terra, perché compare, nella forma ossidata di fosfato, nelle membrane cellulari, nello scheletro degli acidi nucleici, cioè DNA e RNA, e nell’ATP, o adenosintrifosfato, una molecola che svolge la funzione di “carburante” delle nostre cellule. In altre parole, il fosforo partecipa alle tre funzioni fondamentali della vita: la funzione strutturale, il trasferimento dell’informazione genetica e il metabolismo, cioè il consumo di energia. Vista la sua importanza biologica, il fosforo è spesso l’elemento limitante per lo sviluppo della vita, anche perché il suo ricircolo negli ecosistemi è molto più lento rispetto agli altri elementi essenziali. Ritornando alla fosfina, la scoperta che alcuni batteri fossero in grado di produrla spontaneamente sulla terra in ambienti anaerobici è, in realtà, relativamente recente: fu comunicata per la prima volta in uno studio pubblicato su Nature nel 1988, in cui un gruppo di scienziati ungheresi segnalava la presenza di quantità significative di fosfina nei gas emessi dal trattamento delle acque fognarie. Gli autori ipotizzavano che la fosfina fosse prodotta, direttamente o indirettamente, da alcuni batteri anaerobici contenuti nelle acque di scarico.

Questa scoperta ebbe una discreta risonanza, perché la formazione naturale di un composto del fosforo in uno stato così basso di ossidazione, nell’atmosfera ossidante della terra, era del tutto inattesa dal punto di vista termodinamico. La fosfina è un gas reattivo e infiammabile, che, come il fosforo bianco, tende a ritornare al suo stato ossidato reagendo con l’ossigeno atmosferico. La formazione spontanea di fosfina nei processi di decomposizione potrebbe fornire una spiegazione al fenomeno dei fuochi fatui, spettrali apparizioni notturne che, nella tradizione popolare, aleggiano nei cimiteri e sopra le paludi. Secondo molti scienziati, emissioni di fosfina e metano provenienti dai fondali degli stagni, o da un cadavere sepolto in una bara un po’ troppo grossolana, possono provocare la comparsa di piccole fiammelle che, nel buio, potrebbero essere scambiate per fantasmi. In ogni caso, il ruolo della fosfina nella circolazione del fosforo sul nostro pianeta non è ancora del tutto chiarita, così come non è accertata né la via metabolica che i batteri utilizzano per la produzione di questo strano composto, né la sua funzione biologica. In realtà, della fosfina terrestre sappiamo ancora così poco, e la scoperta della sua presenza naturale sul nostro pianeta è così recente, che speculare sulla ragione della sua esistenza su un pianeta extraterrestre è molto più complesso di quanto possa sembrare. 

“Al fine di studiare le cause della vita”, sostiene il giovane Victor Frankenstein nel romanzo di Mary Shelley, “è necessario far ricorso alla morte”. Del resto, la stessa nozione di vita, e il confine che la separa dal resto della materia non vivente, diventa sempre più sfumata e dinamica via via che ne comprendiamo i meccanismi profondi; la nostra capacità di riconoscere altre forme di vita nell’universo, anche radicalmente diverse da noi, dipende soprattutto dalla nostra capacità di riconoscere la nostra continuità con il resto della materia, organica e inorganica, che ci circonda. Se la strana storia del fosforo può comunque insegnarci qualcosa, è che, almeno in chimica, la vita e la morte esistono su uno spettro continuo: la materia inorganica e quella vivente si riconvertono continuamente l’una nell’altra in una contaminazione incessante, e, come forse intuivano gli alchimisti del passato, la chiave per comprendere il mistero della vita aliena potrebbe trovarsi proprio in un composto inorganico che abbiamo sempre associato alla decomposizione e alla morte. 


laura tripaldi Si occupa di chimica dei materiali e nanotecnologie come ricercatrice presso l’Università degli Studi di Milano-Bicocca.

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