Atmosphere in a test tube: laboratory investigations about exoplanet atmospheres

Lo scopo di questa tesi è quello di capire come dei cianobatteri, cresciuti su un pianeta di tipo terrestre orbitante attorno alla zona di abitabilità di una stella M possano sopravvivere ed usare la luce proveniente dalla stella stessa in modo fruttuoso per la loro esistenza. In particolare ci focalizzeremo sullo studio dei gas da essi prodotti. Gli organismi scelti non hanno pigmenti in grado di fotosintetizzare la parte NIR dello spettro di radiazione, ma riescono a modificare il loro apparato fotosintetico per far fronte alle nuove condizioni di luce, se esposti a luce NIR, producendo clorofilla d ed f. I due batteri scelti per i nostri esperimenti sono Chlorogloeopsis fritschii e Cyanobacterium Aponinum. Il primo batterio è certamente in grado di variare il suo apparato fotosintetico in differenti situazioni luminose. In particolare è in grado di produrre clorofilla e ed f se esposto a luce NIR (720 nm). Questa proprietà si chiama acclimatamento FarLip. Il secondo batterio è è abbastanza noto ma non è stata ancora studiata la sua predisposizione a questo tipo di pratica. Per questi batteri sono stati ricercati i terreni di coltura, di temperatura e pH che meglio permettessero il loro sviluppo. Per capire come il foto-acclimatamento possa aver luogo abbiamo ideato e realizzato un nuovo tipo di sorgente a LED con peculiarità dinamiche. L'intervallo di lunghezze d'onda che copre (365nm-940nm) si sovrappone ai limiti di assorbimento dei pigmenti fotosintetici (280-850 nm) dei più comuni batteri. Il simulatore è composto da 25 differenti canali corrispondenti a 25 differenti lunghezze d'onda. Ogni canale può ospitare un massimo di 15 LED. Il simulatore come detto è stato concepito secondo il concetto di modularità. Infatti è composto da un mosaico di piastre in corma circolare divisa a spicchi e su ognuna di tali piastre sono saldati i LED. Questa soluzione permette di cambiare rapidamente i LED danneggiati e permette una facile implementazione con altre lunghezze d'onda. Il simulatore stellare è in grado di riprodurre lo spettro di varie stelle di sequenza principale, F, G, K e M e molte delle più comuni lampade. Il sistema di controllo è composto da un PC che ha il compito di gestire i LED e da uno spettrometro con relativo correttore di coseno che STS-VIS della ditta Ocean Optics. Il PC genera il miglior fit dello spettro da ricreare con l'illuminatore e lgi da informazioni su come riprodurlo. Lo spettrometro invece controlla la bontà del fit ed attraverso un sistema a circuito chiuso, regola la luminosità dei LED in tempo reale. Abbiamo fatto dei test per verificare il corretto funzionamento del simulatore e stimato la potenza totale emanata, 106.22 W e quella termica, 434.05 W. Inoltre la nostra sorgente di radiazione è stata caratterizzata in flusso, analizzando la radiazione a diverse distanze, dalla bocca di apertura fino a 25 cm da essa. Poi sono state fatte misure di uniformità del flusso entro 6.5 cm dal centro. Infine è stato calcolato l'assorbimento dovuto alle ottiche frapposte fra i LED e i campioni. Per alloggiare i batteri abbiamo ideato e costruito in incubatore in acciaio inox con la possibilità di avere un continuo flussaggio di gas o di essere riempita con una miscela desiderata. Sui lati si aprono quattro finestre ottiche che servono per permettere la misura di concentrazione di ossigeno e di anidride carbonica all'interno attraverso un sistema laser chiamato Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS). L'incubatore è dotato anche di una finestra superiore in borosilicato per permettere alla luce di entrarvi. La cella è stata caratterizzata termicamente e sono stati calcolati le quantità minime osservabili sia di ossigeno che di anidride carbonica. Durante la prima fase dell'esperimento, i batteri selezionati sono stati fatti crescere per 24 giorni Durante l'esperimento, i batteri sono stati fatti crescere a 24 days at 20 micromol fotoni/m^2/s e a 30 °C per costruire le curve di crescita ed il loro comportamento in condizioni ottimali. Dopo ciò, è stato condotto un secondo esperimento facendo crescere entrambe se specie di cianobatteri a 30°C e 20 micromol fotoni/m^2/s in luce bianca ed acquisendo dopo 6 giorni le misure di produttività di ossigeno durante la fase esponenziale. Passati sei giorni sono stati ripartite otto colture, quattro di Cyanobacterium aponinum e quattro di Chlorogloeopsis fritschii. Due colture di Cyanobacterium aponinum sono state fattie crescere prima a micromol fotoni/m^2/s per sei giorni e poi a 100 micromol fotoni/m^2/s per altri tre giorni, sempre in luce bianca. La stessa cosa è stata fatta per due campioni di Chlorogloeopsis fritschii. Due colture di Cyanobacterium aponinum sono state fattie crescere prima a micromol fotoni/m^2/s per sei giorni e poi a 100 micromol fotoni/m^2/s per altri tre giorni,con una radiazione che simulava quella di una stella di tipo M7 incidente su un pianeta terrestre. La stessa cosa è stata fatta per Chlorogloeopsis fritschii. La temperatura è stata mantenuta a 30°C per i campioni in luce bianca e fra 35°C e 38°C per gli esemplari illuminati con luce M7. La maggior temperatura nel secondo caso è stata dovuta al calore prodotto dai LED. Durante i tre giorni in cui i campioni sono stati sottoposti a 100 micromol fotoni/m^2/s sono state prese misure di densità ottica e calcolate le curve di crescita. Inoltre per ogni campione è stata calcolata la produzione di ossigeno. Infine i campioni sono stati analizzati anche dal punto di vista del cromatismo per capire come il loro colore fosse collegato alla vitalità