Ipotesi sulla origine
della vita
dove ? Quando ? Come ?
Origine delle molecole necessarie per ottenere un essere vivente
la scienza offre ipotesi , esperimenti , plausibili
Meccanismo capace di assemblare le molecole in un essere vivente
con membrana, disponibilità enzimatiche, riproducibilità
la scienza non presenta ancora risposte definitive
Considerazione su alcune ipotesi e linee di ricerca scientifica per
cercare 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 complessi
capacità di utilizzare energia nelle varie forme (solare, chimica, termica..)
capacità di reagire alle variazioni ambientali e di adeguarsi ai cambiamenti
Crescita > sviluppo
Mutazione > evoluzione
sole
piante
Animali-piante
fotosintesi
CO2+H2O > C6H12O6+O2
respirazione
C6H12O6 + O2 > CO2+H2O+ATP
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 vivente
sulla terra, sia comparsa almeno 4 miliardi di anni fa
secondo attendibili informazioni scientifiche
circa 500 milioni dopo la formazione della terra:
potrebbe essere comparsa molto tempo prima, in altra parte del nostro
universo ( 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 miliardi
di anni fa:
circa 500 milioni dopo la formazione della terra:
potrebbe essere comparsa molto tempo prima, in altra parte del nostro
universo ( 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 materiale
per 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 sia
comparsa 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 gas
presenti 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 antiche
tracce 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 reagito
trasformando 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
Sulla terra, la evoluzione prebiologica, chimica, sarebbe avvenuta
tra 4.5 e 3.2 miliardi di anni fa (resti di primi fossili molecolari rapportabili
alla attività di esseri viventi
• i primi resti sicuri di esseri viventi risalgono a 2.7 miliardi di anni fa
•ambiente disponibile perché attraverso processi chimico-fisici
potessero 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 miliardi
di anni fa; raggiunge 1 % dell’attuale , circa 1.9 miliardi di anni fa)
(assenza di ozonosfera schermante :manca O3)
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 sempre
l’intervento di processi chimico-fisici fortemente dipendenti
dalle condizioni ambientali (endogene ed esogene) e la
presenza di biocatalizzatori
Esiste un particolare codice , quasi universale, che collega
gli amminoacidi, monomeri necessari per produrre proteine,
con monomeri nucleotidici, che sono assemblati nel DNA
presente nei cromosomi, portatore dei caratteri tipici della
specie con varianti per i singoli individui, responsabile della
trasmissione 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 trovare
un 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 C
con 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
Molecole complesse
NH4OH
C6H12O6
Molecole semplici
Glucidi, lipidi, protidi..
Ipotesi di Oparin-Haldane (1920-1930)
Oceano con H2O, Sali vari in soluzione
atmosfera (senza ossigeno) con CO2, CO, N2, H, He, H2O
energia solare, radioattività, termica, scariche elettriche
sintesi abiologica di molecole organiche
Possibilità di sintetizzare semplici molecole organiche che
si 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 utilizzando
presunti componenti della atmosfera primitiva e sottoponendoli a
scariche elettriche( fulmini dei temporali …):
Dimostrazione della possibilità di ottenere composti del carbonio
anche complessi (amminoacidi) componenti essenziali di proteine
e altre composti tipici dei viventi: ma non dimostra come possano
poi assemblarsi in molecole complesse (proteine, acidi nucleici..)
CH4 , NH3, H2O, CO2, gas vari
amminoacidi
H2O
amminoacido
R
|
H-N -C – C – OH
| |
||
H H O
Esperimento di Stanley Miller , 1953, Chicago (allievo di Urey)
Oceano riscaldato > H2O ..assorbe gas introdotti > scariche elettriche >
sintesi molecole organiche > refrigerazione > filtrazione e raccolta
composti organici sintetizzati: in circa 24 ore
Scariche elettriche
gas
Atmosfera
H, H2O, CH4, NH3
refrigerazione
calore
H2O
Oceano…
Amminoacidi-composti organici
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 ambientali
hanno 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 molecole
organiche per via abiologica:non dimostrano che sia avvenuto in natura così
Ipotesi per giustificare la sintesi di molecole complesse utilizzando
molecole semplici disponibili: necessario un ambiente protetto, che permetta
la concentrazione e conservazione delle molecole sintetizzate
Le molecole organiche galleggianti nell’oceano primitivo si sarebbero
raccolte 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 molecole
originarie “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 profondità
oceaniche e in prossimità di sorgenti molto calde portò alla ipotesi che le
reazioni necessarie per portare alle molecole tipiche del vivente potessero
verificarsi anche in assenza della energia solare (usando quella termica)
proveniente dalle bocche idrotermali del fondale oceanico:alte temperature
e alte pressioni.
Sorgenti idrotermali ed ecosistemi
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 altre
molecole
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
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 favorire
la sintesi abiologica di proteine, RNA, e altre molecole complesse
Amminoacidi in soluzione rimangono separati
se 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 appartengono
tutti 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 miscela
iniziale mista con forme L e D , solo la forma L
Si conosce che vari gusci di molluschi presentano la struttura della calcite
con 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
Superficie del cristallo con siti complementari per isomero L
Isomero L selezionato su una faccia del cristallo
isomero D selezionato su faccia speculare del cristallo
Isomeri ottici, speculari, forma L e forma D
Si nota che le facce “gradinate” hanno un effetto selettivo più efficace
forse 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 prima
la catena L che si è poi imposta nella utilizzazione successiva della
sintesi abiologica di protidi….??
Funzione di catalizzatori per produrre NH3 come nel processo industriale
idrogeno + 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 enzimi
nel 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, zinco
reagenti : CO2 + H2
CO2 + 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, cobalto
reagenti :CO, H2O, tiolo…..> gruppo carbonile =CO
il carbonile si lega a NI, Co debolmente e può legare altre molecole formando
catene 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 anche
zolfo, solfuri organici, metiltiolo e altri composti dello zolfo ,che doveva
essere stato liberato dal solfuro di ferro
sono apparsi anche complessi
formati dal ferro circondato da molecole organiche
Possibile attività simil-enzimatica ?
Ricordiamo che molti enzimi e molecole complesse
contengono al loro interno atomi di metalli vari
emoglobina Fe, clorofilla Mg
Emoglobina con 4 atomi di Fe
Clorofilla con Mg
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 semplici
necessari alla sintesi delle molecole più complesse, tipiche della vita:
i minerali avrebbero contribuito a fornire ambiente, substrato,
meccanismo selettivo, catalizzatore per dare origine ai primi
sistemi 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 rivista
Le Scienze, aprile 2001