Ipotesi sulla originedella vita

dove ? Quando ? Come ?

Origine delle molecole necessarie per ottenere un essere viventela scienza offre ipotesi , esperimenti , plausibili

Meccanismo capace di assemblare le molecole in un essere viventecon membrana, disponibilità enzimatiche, riproducibilità

la scienza non presenta ancora risposte definitive

Considerazione su alcune ipotesi e linee di ricerca scientifica percercare di trovare una soluzione a vari interrogativi sul fenomeno

definito “vita, vivente”, caratterizzato da alcune proprietà specifiche:capacità di riprodurre copie individuali con grande precisione

capacità di crescere, svilupparsi da singole cellule a organismi complessicapacità di utilizzare energia nelle varie forme (solare, chimica, termica..)

capacità di reagire alle variazioni ambientali e di adeguarsi ai cambiamenti

sole piante

fotosintesi

CO2+H2O > C6H12O6+O2

Animali-piante

C6H12O6 + O2 > CO2+H2O+ATP

respirazione

Mutazione > evoluzione

Crescita > sviluppo

Domande alle quali la ricerca scientifica non può dare(e probabilmente non potrà mai dare in modo definitivo) risposta riguardanti la realtà che definiamo vita, vivente:

Quando è comparsa la vita ?Dove è comparsa ?

Come la materia da inanimata ha acquistato le caratteristiche della vita ?

Si può ritenere che la vita, le molecole necessarie per costruire l’essere viventesulla terra, sia comparsa almeno 4 miliardi di anni fa

secondo attendibili informazioni scientifichecirca 500 milioni dopo la formazione della terra:

potrebbe essere comparsa molto tempo prima, in altra parte del nostrouniverso ( in altri pianeti, nella nebulosa all’origine del sistema solare..)

ed essere stata trasportata sulla terra inglobata in comete, meteoriti..

Si può ritenere che la vita, le molecole necessarie per costruire l’essere vivente

sulla terra, sia comparsa almeno 4 miliardidi anni fa:

circa 500 milioni dopo la formazione della terra:potrebbe essere comparsa molto tempo prima, in altra parte del nostrouniverso ( in altri pianeti, nella nebulosa all’origine del sistema solare..)

ed essere stata trasportata sulla terra inglobata in comete, meteoriti..

4 miliardi di anni fa:

La ipotesi della “panspemia” fondata anche sulla scoperta della

esistenza di molecole organiche nelle nubi molecolari presenti nella galassia

induce a pensare che la vita sia possibile anche in altri luoghi, oltre che nel pianeta terra:

forse, almeno alcune molecole preformate altrove(e quindi forse con molto tempo a disposizione,

necessario per la sintesi casuale)sarebbero giunte sulla terra e avrebbero fornito del materialeper il passaggio da sostanze inanimate ai primi esseri viventi.

(sembra che le temperature presenti all’interno dei meteoriti che avrebbero trasportato le molecole e i raggi cosmici presenti

nello spazio siano compatibili con la stabilità delle molecole)

Il problema tuttavia, qualunque sia il luogo o il tempo ove la vita siacomparsa permane:

come è avvenuto il passaggio da inanimato a vivente?

Alcune informazioni attendibili provenienti da ricerca geologica:*la terra si sarebbe formata mediante aggregazione di particelle e gaspresenti nella nebulosa all’origine del sistema solare** la atmosfera primitiva ricca di gas idrogeno, elio, neon sarebbe stata dispersa per la debole gravità terrestre e sostituita da altri gas più pesanti provenienti dalle eruzioni vulcaniche (H, O, N, C, Cl, S …) che avrebbero permesso la sintesi di H2O, CO2, SO2, HCl, N2*** la condensazione del vapore avrebbe originato un vasto oceano ricoprente tutta la superficie della terra**** la tettonica a zolle avrebbe richiamato molta acqua all’interno della massa solida permettendo la emersione di masse rocciose e la formazione di ambienti adeguati alla comparsa della vita***** la temperatura , piuttosto elevata, dovuta alla radiazione solare, radioattività, calore interno e vulcanesimo, non avrebbe subito particolari variazioni nel primi 3-4 miliardi di anni

La geologia e paleontologia forniscono informazioni sulle più antichetracce di presenza di attività dovute ad esseri viventi insieme a fossili

* Organismi fossilizzati conservati in selci, areniti, argilliti* stromatoliti: strutture con composizione mista, inorganica e organica

* fossili molecolari:riferibili ad attività metabolica di esseri viventi

Australia, 3.5 miliardi di anni fa, strutture sferoidali (simil alghe ?)

Africa australe, 3.2 miliardi di anni fa, strutture sferoidali, stromatoliti, porfirine

Rhodesia , 2.7 miliardi di anni fa, stromatoliti algali, molecole simi a clorofilla

Canadà, 1.7 miliardi di anni fa, simili a batteri, alghe,che avrebbero immesso

nell’atmosfera, mediante fotosintesi, ossigeno che avrebbe reagitotrasformando ossido ferroso in ossido ferrico

Australia, 1 miliardo di anni fa, prime cellule eucariote con cromosomi

Australia, 600 milioni di anni fa, fauna di Ediacara(anellidi,artropodi..)

Conclusioni e presentazione ipotesi varie

• i primi resti sicuri di esseri viventi risalgono a 2.7 miliardi di anni fa

•ambiente disponibile perché attraverso processi chimico-fisicipotessero essere sintetizzate molecole disponibili per la comparsa

della vita:oceano con H2O e Sali vari in soluzione

atmosfera con gas derivati da emissione vulcaniche : H, C, S, N, Cl, H2O, CO2, SO2, N2 e altri

assente ossigeno libero (compare per effetto di fotosintesi, 2.7 miliardidi anni fa; raggiunge 1 % dell’attuale , circa 1.9 miliardi di anni fa)

(assenza di ozonosfera schermante :manca O3)

Sulla terra, la evoluzione prebiologica, chimica, sarebbe avvenutatra 4.5 e 3.2 miliardi di anni fa (resti di primi fossili molecolari rapportabili

alla attività di esseri viventi

Energia solare, radiazione ultravioletta, calore endogeno, radioattività

L’essere vivente, come lo conosciamo attualmente,deriva sempre da precedente essere vivente

Le molecole e strutture presenti nel vivente esigono semprel’intervento di processi chimico-fisici fortemente dipendenti

dalle condizioni ambientali (endogene ed esogene) e lapresenza di biocatalizzatori

Esiste un particolare codice , quasi universale, che collegagli amminoacidi, monomeri necessari per produrre proteine,

con monomeri nucleotidici, che sono assemblati nel DNApresente nei cromosomi, portatore dei caratteri tipici della

specie con varianti per i singoli individui, responsabile dellatrasmissione ereditaria all’interno della specie:mutazioni nel codice possono essere la base

per la selezione che porta alla evoluzione nel tempo

Da non vita a vivente Da vivente a vivente

Considerazioni su alcune ipotesi e linee di ricerca per tentare di trovareun probabile meccanismo che potrebbe aver condotto al risultato di

ottenere il passaggio da non vita a vita.

La materia disponibile si trovava negli oceani, nella atmosfera, nelle rocce(con composizioni relativamente note e diverse da quelle attuali)

Acqua, gas( N2, CO2, CH4, NH4OH) minerali

Sintesi si semplici molecole contenenti Ccon potere di autoreplicazione:

composti con C : metano CH4 e CO2

Composti complessi, glucidi, lipidi, protidi:polimerizzati, assembrabili in membrane,

strutture complesse:necessario un ambiente protetto e adatto alle reazioni

di sintesi e alla conservazione dei prodotti

CO2

CH4

H2O

N2

NH4OH

C6H12O6

Molecole semplici

Molecole complesse

Glucidi, lipidi, protidi..

Ipotesi di Oparin-Haldane (1920-1930)

Oceano con H2O, Sali vari in soluzioneatmosfera (senza ossigeno) con CO2, CO, N2, H, He, H2Oenergia solare, radioattività, termica, scariche elettriche

sintesi abiologica di molecole organiche

Possibilità di sintetizzare semplici molecole organiche chesi sarebbero concentrate nei mari, laghi del pianeta, (brodo primordiale)

restando anche inglobate in argille mediante evaporazione

I raggi ultravioletti (non schermati ancora dalla ozonosfera con O3)potevano disgregare rapidamente le eventuali molecole più complesse

che si fossero originate da quelle più semplici

Esperimento 1953 (Miller-Chicago) e sintesi indotta utilizzandopresunti componenti della atmosfera primitiva e sottoponendoli a

scariche elettriche( fulmini dei temporali …):

Dimostrazione della possibilità di ottenere composti del carbonioanche complessi (amminoacidi) componenti essenziali di proteinee altre composti tipici dei viventi: ma non dimostra come possanopoi assemblarsi in molecole complesse (proteine, acidi nucleici..)

CH4 , NH3, H2O, CO2, gas vari

H2O

R

|

H-N -C – C – OH | | || H H O

amminoacidoamminoacidi

Esperimento di Stanley Miller , 1953, Chicago (allievo di Urey)

gas

H2Ocalore

refrigerazione

Scariche elettriche

AtmosferaH, H2O, CH4, NH3

Oceano…Amminoacidi-composti organici

Oceano riscaldato > H2O ..assorbe gas introdotti > scariche elettriche >sintesi molecole organiche > refrigerazione > filtrazione e raccolta

composti organici sintetizzati: in circa 24 ore

Esperimento di Sidney W.Fox (anni sessanta)ottiene sintesi di macromolecole in soluzioni contenenti

monomeri. come amminoacidi, se posti a contatto con particelle di sabbia o argilla calde

con evaporazione del solvente

Altri esperimenti simili con variazione di componenti e condizioni ambientalihanno portato alla sintesi di vari amminoacidi diversi e dei nucleotidi,

componenti fondamentali degli acidi nucleici DNA, RNA

Tutti questi esperimenti hanno dimostrato la possibilità di ottenere molecoleorganiche per via abiologica:non dimostrano che sia avvenuto in natura così

Ipotesi per giustificare la sintesi di molecole complesse utilizzandomolecole semplici disponibili: necessario un ambiente protetto, che permetta

la concentrazione e conservazione delle molecole sintetizzate

Le molecole organiche galleggianti nell’oceano primitivo si sarebberoraccolte in pozze basse di marea lungo le coste rocciose e mediante

ripetute evaporazioni si sarebbero concentrate

Altra ipotesi: le molecole si sarebbero raccolte in ambienti molto piccoli :cavità nelle pomici , bollose, vulcaniche; in feldspati e altri minerali dotati di

fessure microscopiche superficiali: nel tempo (lungo), il “caso”,avrebbe prodotto molecole del tipo “viventi”..

Altra ipotesi: la esigenza di ambienti protetti presumeva che le molecoleoriginarie “viventi” fossero molto fragili, facilmente degradabili:originate alla superficie del mare in presenza di energia solare

Nel 1977 la scoperta di ecosistemi molto diversificati alle grandi profonditàoceaniche e in prossimità di sorgenti molto calde portò alla ipotesi che lereazioni necessarie per portare alle molecole tipiche del vivente potesseroverificarsi anche in assenza della energia solare (usando quella termica)

proveniente dalle bocche idrotermali del fondale oceanico:alte temperaturee alte pressioni.

Sorgenti idrotermali ed ecosistemi

Risolto in parte il problema della concentrazione…ma rimangono sospese,disperse, in acqua: serve un meccanismo che le porti vicine, a contato,per interagire e formare legami stabili

Difficoltà per origine idrotermale perchè gli amminoacidi, come altre molecole complesse, sono molto instabili se riscaldati

Superata da esperimento (1998 Texas):la leucina, posta in soluzione a 200°C e sotto pressione,

si degrada rapidamente

Posta in presenza anche di solfuro di ferro (comune nelle sorgenti idrotermali)si mantiene stabile per vari giorni:

tempo sufficiente per legarsi ad altremolecole

Osservazioni, intuizione, portano a proporre delle ipotesi,possibilmente rapidamente e facilmente verificabili

per definire l’importanza dei minerali nei processidi sintesi abiologica

Ipotesi che valorizza l’intervento di minerali nella sintesi abiologica

la presenza di minerali fornisce

una nicchia di protezione e supporto per le molecole

superficie che favorisce l’assemblaggio di molecole mantenute vicine

i minerali possono mediante proprietà superficiali selezionare in funzione della forma , della carica elettrica

le molecole presenti in soluzione

possono catalizzare reazioni tra molecole

alcuni elementi vengono inclusi negli enzimi(biocatalizzatori) oggi noti

Esperimenti che verificano le capacità dei minerali di favorirela sintesi abiologica di proteine, RNA, e altre molecole complesse

Amminoacidi in soluzione rimangono separatise posti in presenza di argillite(porosa) vi aderiscono, interagiscono,

danno origine a polipeptidi, protidi..in presenza di evaporazione

Esempio:gli amminoacidi attuali componenti le proteine appartengonotutti alla forma isomerica levogira L: la forma destrogira D non partecipa

alla composizione delle proteine, non si trova in natura, ma viene prodotta

insieme alla forma L negli esperimenti simili a quello di Miller

Deve esistere un sistema che è stato in grado di selezionare dalla miscelainiziale mista con forme L e D , solo la forma L

Si conosce che vari gusci di molluschi presentano la struttura della calcitecon legati degli amminoacidi : forse la calcite posiede la capacità di

selezionare le due forme ?

La calcite, come altri minerali, presenta facce con superfici specularmente uguali

Immergendo un blocco di calcite in una miscela di amminoacidi L, D in parti uguali ed estraendolo dopo 24 e lavandolo, si potevano poi

raccogliere gli amminoacidi che avevano aderito a facce specularmente opposte affini alle forme L o D degli amminoacidi

Isomeri ottici, speculari, forma L e forma D

Superficie del cristallo con siti complementari per isomero L

Isomero L selezionato su una faccia del cristalloisomero D selezionato su faccia speculare del cristallo

Si nota che le facce “gradinate” hanno un effetto selettivo più efficaceforse gli amminoacidi legati in tali regioni si trovano nella condizione

di potersi più facilmente legare in catene ordinate L o D di amminoacidi

Catena con amminoacidi forma L Catena con amminoacidi forma D

Probabilmente nel passato , casualmente, è stata selezionata primala catena L che si è poi imposta nella utilizzazione successiva della

sintesi abiologica di protidi….??

Funzione di catalizzatori per produrre NH3 come nel processo industrialeidrogeno + azoto + catalizzatore >>> ammoniaca

Esperimento in ambiente simile a quello delle sorgenti idrotermali:temperatura e pressione elevata

idrogeno + azoto + magnetite >>> ammoniaca

Magnetite :ossido di ferro

Ipotesi: possono i minerali sostituire in parte la presenza degli enziminel catalizzare le reazioni chimiche ?

Esperimenti con ambiente simile a quello delle sorgenti idrotermali:2000 atmosfere, 250 °C (reattore in acciaio)

reagenti in piccole capsule d’oro, sigillate (anche 6 per volta) introdotte nel reattore:

Minerali: solfuri, ossidi, di ferro, rame, zincoreagenti : CO2 + H2CO2 + H2 > CH4 …+ CO2 + H2 > CH3-_CH3 …+ CO2 + H2 > CH3-CH2-CH3

Simile processo tipo industriale Fischer-Tropsch (catene con 30 C in 24 ore)

Minerali: solfuri di nichel, cobaltoreagenti :CO, H2O, tiolo…..> gruppo carbonile =COil carbonile si lega a NI, Co debolmente e può legare altre molecole formandocatene anche con 10 C

Reazioni che probabilmente avvengono oggi presso le sorgenti idrotermali e che possono essersi verificate anche nei tempi trascorsi

Nelle capsule usate nell’esperimento precedente comparivano anchezolfo, solfuri organici, metiltiolo e altri composti dello zolfo ,che doveva

essere stato liberato dal solfuro di ferrosono apparsi anche complessi

formati dal ferro circondato da molecole organiche

Ricordiamo che molti enzimi e molecole complessecontengono al loro interno atomi di metalli vari

emoglobina Fe, clorofilla Mg

Emoglobina con 4 atomi di Fe Clorofilla con Mg

Possibile attività simil-enzimatica ?

Concludendo possiamo ammettere che la comparsa della vita , sulla terra, è stata preceduta da una lunga,

problematica, evoluzione chimica (nella nebulosa, oceani, sorgenti idrotermali)

che ha fornito i costituenti più semplicinecessari alla sintesi delle molecole più complesse, tipiche della vita:

i minerali avrebbero contribuito a fornire ambiente, substrato,meccanismo selettivo, catalizzatore per dare origine ai primisistemi molecolari autoreplicanti: dalla evoluzione selettiva

di tali sistemi si sarebbe giunti alle prime forme di vera vita…(???)

Descrizione che si avvale anche della lettura di un articolo sulla rivistaLe Scienze, aprile 2001