Origine della vita sulla
Terra
Generazione spontanea
Aristotele (384 a.C - 322 a.C) fu il primo a riflettere
profondamente sul problema dell’origine della vita.
Egli ammetteva la possibilità della generazione
spontanea (formazione di organismi viventi dalla
materia non vivente), nell’attuale atmosfera, come era
in effetti comune osservare (ad esempio vermi e
insetti che si generavano in alcuni siti).
•Questa tesi fu confutata solo a metà del 19-esimo secolo
dopo diversi tentativi in laboratorio ad opera di alcuni
sperimentatori.
•(1862) Louis Pasteur, dimostra che i microrganismi si
generano solo da altri microorganismi nelle condizioni
ambientali attuali.
•Egli fece alcuni esperimenti utilizzando ampolle di vetro a
collo di cigno, che non permettevano ai microorganismi
presenti nell’aria di raggiungere il brodo nutritivo contenuto
nell’ampolla.
•Nel brodo bollito non si originavano microorganismi.
Esperimento di Francesco Redi
Firenze, 1668
Esperimento di L. Spallanzani
Modena, 1760
Esperimento di Pasteur
Nelle condizioni attuali la vita non può
originarsi dalla materia inorganica
La generazione spontanea richiederebbe:
•
l’accumulo in qualche parte di una notevole quantità di composti
organici e dell’apporto di una sorgente di energia libera che permetta
l’attuarsi di processi chimici.
Un tale accumulo oggi è impossibile:
•
per l’insidia dei microrganismi ovunque presenti in natura e pronti ad
utilizzare tutti i materiali organici comunque disponibili
•
a causa dell’azione ossidante dell’atmosfera (che presenta un eccesso
di ossigeno) che tende ad ossidare le molecole organiche complesse
non completamente ossidate non consentendo loro una lunga
sopravvivenza.
Condizioni atmosferiche primordiali
In passato, invece, è possibile che le condizioni ambientali sulla
superficie della Terra abbiano consentito la formazione di semplici
composti organici dalla materia inorganica.
L’atmosfera gassosa attorno alla Terra, al momento della sua
formazione e subito dopo, doveva contenere in grande prevalenza
idrogeno ed elio, come la nube gassosa da cui ha tratto origine.
Abbondanza relativa degli elementi nel cosmo
Elemento
ogni 10 6 atomi
g per tonnellata
Elemento
Ogni 106 atomi
g per tonnellata
H
839000
556000
Mg
42
680
He
159000
421000
Si
35
660
O
680
7210
S
12
250
Ne
640
8550
Ni
5
200
N
200
1860
Al
3
54
C
130
1030
Na
3
46
Fe
64
2370
Ca
2
53
Atmosfera
primordiale
(riducente)
1. metano
2. biossido di carbonio
3. ammoniaca
4. idrogeno
5. azoto
6. vapor acqueo
Cenozoico
Specie umana
Piante terrestri
Animali
Origine del sistema
solare e della Terra
4
1
Eucarioti
pluricellulari
2
3
Procarioti
Eucarioti
unicellulari
Accumulo di ossigeno
nell’atmosfera
IL BRODO PRIMORDIALE
• Agli inizi de XX° secolo A.I. Oparin, biochimico russo, propone un
nuovo tipo di generazione spontanea, non come atto di creazione ma
bensì dell'inevitabile, benchè casuale aggregazione di molecole
inorganiche in una atmosfera primordiale assai diversa da quella
attuale.
• L’atmosfera primordiale era ricca di metano,ammoniaca, acqua,
composti che reagivano facilmente tra loro sotto l’azione del calore
terrestre, dei fulmini, degli ultravioletti della radiazione solare non
ancora schermata, come avviene oggi, dalla fascia di ozono.
• Dalle reazioni si formavano
composti del carbonio come
formaldeide, urea, amminoacidi
che venivano trasportate dalle
piogge nei mari andando a
costituire il così detto "brodo
caldo primigenio" .
Coacervati
• In questa soluzione calda alcune molecole avevano
una tendenza ad associarsi in complessi più grandi.
In milioni di anni, questi aggregati, a loro volta, si
associarono tra loro generando spontaneamente dei
coacervati, che rappresentavano, secondo Oparin ,i
costituenti fondamentali dei primi organismi viventi.
Approccio sperimentale
• Nel 1953 Stanley Miller
condusse uno storico
esperimento.
• Questo tendeva a simulare le
condizioni ambientali nella
atmosfera primordiale.
Sintesi prebiotiche
Esperimento di Miller
•
Miller riprodusse l’ambiente primordiale
(oceano – atmosfera) in laboratorio e simulò
uno dei possibili fenomeni naturali
apportatori di energia al sistema (le scariche
elettriche dei temporali).
•
Una beuta contenente acqua (che
riproduceva l’idrosfera) comunicava
attraverso un tubo di vetro con un’ampolla
contenente una miscela gassosa (che
riproduceva l’atmosfera), contenente CH4,
NH3 e H2O allo stato gassoso dovuto
all’evaporazione dell’acqua che veniva fatta
bollire, che veniva fatta attraversare da una
scarica elettrica che simulava le scariche
elettriche dei temporali.
•
Un refrigeratore dopo l’ampolla permetteva
la condensazione di eventuali composti
sintetizzati nell’ampolla e la loro raccolta in
una trappola.
Risultati esperimento di Miller
Principali prodotti ottenibili col metodo di Miller
Composto
resa %
moli*10^4
Acido formico
Glicina
resa %
moli*10^4
Acido alfa-ammino-n-butirrico
AA
Acido glicolico
Alanina
Composto
Acido alfa-idrossibutirrico
Acido succinico
AA
Urea
Acido lattico
Acido imminoacetico propionico
Beta-alanina
n-metil-urea
Acido acetico
n-metil-alanina
Acido propionico
Acido glutammico
AA
Acido imminodiacetico
Acido aspartico
AA
Sarcosina
Acido alfa-amminoisobutirrico
Altri esperimenti
• Dopo di lui molti altri ricercatori hanno fatto esperimenti come
quello di Miller, cambiando la composizione, utilizzando diverse
sorgenti di energia ottenendo risultati qualitativamente
concordanti con produzione di tutti i principali aminoacidi
naturali e alcuni precursori del DNA, primo tra i quali l’adenina.
• si può pertanto ritenere dimostrato che, in condizioni di
atmosfera riducente , contenente solo H2, CH4, NH3, H2O
(vapore), a cui viene fornita energia libera che permetta delle
ionizzazioni, si produce a partire da essa, nel liquido di
raccolta, una grande varietà di specie molecolari diverse.
Ambiente favorevole alla
polimerizzazione
L’Oceano primitivo
Circa 4.5 miliardi di anni fa quando la crosta terrestre si era ormai
raffreddata al punto da permettere la condensazione del vapore acqueo, si
formarono gli oceani.
Nell’oceano primitivo le molecole non gassose via via sintetizzate
nell’atmosfera potevano accumularsi, rimescolarsi continuamente, venire
a contatto e reagire chimicamente ed erano protette dalle radiazioni
ultraviolette.
La temperatura superficiale della Terra almeno negli ultimi 3 o 4 miliardi di
anni non deve essere sensibilmente variata poiché i processi responsabili
della temperatura sono rimasti pressocchè costanti:
1.
2.
3.
Radiazione solare
Calore proveniente dall’interno della Terra
Radioattività
 Effetto serra
Polimerizzazione dell’RNA
L’evento decisivo per la comparsa della
vita va ricercato nella formazione di
acido
ribonucleico
in
grado
di
catalizzare la propria duplicazione.
Il primo materiale genetico e i primi enzimi
potrebbero essere stati costituiti da RNA
• Un’ipotesi condivisa è che i primi geni fossero
brevi filamenti di RNA che si autoduplicavano
senza l’intervento di proteine, forse su superfici
argillose.
A
G
U
G
C
G
G
C
A
A
U
U G C A U
U G C A U
U
C
C
A C G U
A
G
U
A
G C U A
G
A
Monomeri
G G C U U U
1
2
Formazione di semplici
«geni», costituiti da brevi
polimeri di RNA
Assemblaggio di una
catena di RNA complementare,
il primo passo
della duplicazione
del gene originale
Il mondo a RNA
• La comparsa delle prime cellule fu probabilmente
preceduta da aggregati molecolari avvolti da
membrane
Autoduplicazione dell’RNA
La più antica forma di
cooperazione molecolare
in cui semplici geni a RNA
venivano tradotti in proteine
senza l’intervento di altre
strutture.
Il duplicato serve da stampo
per formare un polipeptide.
Polipeptide
Il polipeptide agisce come un
primitivo enzima che favorisce
la duplicazione dell’RNA
RNA
•Semplici membrane potrebbero aver protetto
questi aggregati molecolari formati da RNA e
polipeptidi, su cui la selezione naturale avrebbe
agito favorendo un grado via via maggiore di
cooperazione molecolare che avrebbe poi dato
origine alle prime cellule procariotiche.
Membrana
LM 650
RNA
Polipeptide
Microsfere proteinoidi
• S. W.Fox e K. Harada hanno scoperto
successivamente che è possibile polimerizzare
termicamente le molecole di amminoacidi; essi sono
riusciti ad ottenere dei polimeri contenenti 18
amminoacidi che si trovano comunemente nelle
proteine.
• Tali polimeri venivano circondate da membrane
formando strutture dette microsfere proteinoidi.
• Le quali possono svolgere alcune reazioni chimiche
analoghe a quelle delle cellule.
Possibili ulteriori siti di origine della vita
• Un’altra recente ipotesi è che la vita si sia originata negli abissi
marini con una particolare e peculiare localizzazione : a contatto di
sorgenti idrotermali formate da afflussi di acqua caldissima (con
temperature anche superiori ai 100° C), provenienti dal contatto con
gli strati sottostanti ancora fluidi. Le alte temperature avrebbero
favorito la polimerizzazione delle molecole organiche e lo svolgersi
delle prime reazioni metaboliche
Teoria esobiologica
• la vita è stata “seminata” da meteoriti
(panspermia)
• I primi composti organici semplici possono
essersi formati nello spazio per interazione dei
raggi cosmici o solari con la polvere
interstellare (effetto fotoelettrico), che
potrebbero essere state portati sulla Terra da
meteoriti, asteroidi e comete, a seguito del loro
impatto con la Terra.
• È una ipotesi possibile dimostrata dal
ritrovamento di composti organici nelle
meteoriti.
Asteroidi, Meteoriti e Comete
Tre passi fondamentali
• origine delle prime cellule
• comparsa dell’ossigeno nell’atmosfera
• origine della cellula eucariotica
ORIGINE DELLE PRIME CELLULE
• L’avvento dei primi esseri viventi segnò la
fine dell’era della selezione chimica e
l’inizio di quella della selezione naturale.
• Purtroppo non ci sono molte tracce fossili
delle prime cellule
STROMATOLITI
Ammassi (anche fossili) di procarioti (cianobatteri) anaerobici,
foto- o chemiosintetizanti
Polipeptidi
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