Università degli Studi di Pavia - Dipartimento di Chimica Organica
15-12-2005
Possibili ambienti di reazione per le sintesi
prebiotiche
di
Simone Lazzaroni
Prologo
Il mondo primordiale riducente
La Terra a quel tempo era molto “polverosa”,
calda, con ambienti chimicamente aggressivi
Forti attività vulcaniche (e geologiche in genere)
Intense emissioni dalle bocche idrotermali
(hydrothermal vents)
Attività geologiche in genere
Radiazioni UV (assenza di ozono)
Aleksandr Ivanovic Oparin
Fulmini causati da una larga quantità di elettricità statica generata di nubi di polvere
La Terra quindi è un gigantesco laboratorio di chimica con abbondante energia utilizzabile per
sintetizzare composti organici sotto varie condizioni.
Con un forte accumulo di materiale organico negli oceani e nelle lagune (per es. il brodo
primordiale) la chimica organica prebiotica ha un’ampia quantità di materiale con la quale
lavorare.
Lacune nell’Esperimento di Miller
La possibilità di produrre molecole
organiche complesse: amminoacidi,
a partire da molecole semplici come
metano, ammoniaca, acqua e
idrogeno.
Tuttavia l’esperimento di Miller NON
spiega:
come queste molecole non venissero
degradate
come avvenisse la loro
polimerizzazione
Stanley Lloyd Miller
Catalizzatori Minerali
Cairns–Smith (1982) propose l’ipotesi che a proteggere le molecole
complesse da fattori esterni siano stati i minerali e che le argille minerali
fossero l’ultimo ancestore della vita.
Piccoli comparti che si formano nei minerali come
l’argilla avrebbero ospitato queste molecole
(adsorbimento), offrendo loro anche il supporto per
il loro assemblaggio.
Le argille minerali hanno una struttura cristallina
molto complessa (ampia variazione strutturale)
quindi potrebbero fornire le basi per una evoluzione
attraverso selezione naturale.
A. G. Cairns–Smith
La montmorillonite è un’argilla avente struttura a strati, ognuno dei quali è composto da tre fogli.
I due fogli esterni, chiamati fogli tetraedrici, contengono ioni silicio tetraedricamente coordinati
all’ossigeno.
Il foglio interno, chiamato foglio ottaedrico, è costituito da ioni alluminio ottaedricamente
coordinati all’ossigeno.
Durante la formazione delle argille è
possibile che alcuni ioni silicio siano
stati rimpiazzati da ioni ferro (III) e
alcuni ioni Al da ioni magnesio.
Eccesso di cariche negative
Eccesso che viene controbilanciato dai
cosiddetti “cationi interstrato” o cationi
“scambiabili“ trattenuti tra gli strati
(gallerie).
Gallerie che possono essere riempite con monomeri, oligomeri o polimeri.
Studi condotti sulle montmorilloniti mostrerebbero la loro capacità di accelerare la
conversione spontanea di micelle di acidi grassi in vescicole.
montmorillonite
micella
vescicola
Capacità legata all’accumulo di carica negativa sulla superificie delle argille.
Le argille vengono spesso incapsulate in queste vescicole e ciò suggerirebbe una
via per una possibile “incapsulazione prebiotica” di superfici cataliticamente attive
dentro membrane vescicolari.
Una volta formate queste vescicole possono crescere incorporando acidi grassi
forniti dalle micelle e possono dividersi senza diluizione del loro contenuto a
causa di perdite attraverso piccoli pori.
Queste vescicole quindi esisterebbero in condizioni prebiotiche, il che avrebbe
prodotto distinti microambienti chimici in grado di contenere e proteggere le
eventuali molecole organiche al loro interno
Il supporto offerto dai minerali avrebbe permesso di selezionare attivamente
particolari molecole che avrebbero partecipato alla formazione di molecole
importanti.
E’ il caso della sintesi delle proteine per un processo di polimerizzazione di
molecole di amminoacidi, che però si presentano in due forme isomeriche
(rispettivamente sinistrorsa (L) e destrorsa (D)).
Nell’esperimento di Miller si formarono miscele racemiche di molecole D ed L,
mentre le proteine degli organismi sono costituite da amminoacidi L.
Diverse ipotesi sono state avanzate per spiegare tale preferenza e tra queste
quella che ha ottenuto un qualche supporto prende in considerazione che la
selezione degli amminoacidi L sia dovuta a qualche particolare caratteristica
nell’ambiente.
Robert M. Hazen suppose che questo ambiente fosse rappresentato dalle facce di
cristalli di alcuni minerali le cui strutture superficiali sono immagini speculari l’una
dell’altra (es. calcite).
Come verifica per questa ipotesi immerse un grosso cristallo di calcite in una
soluzione contenente parti uguali delle due forme di un comune amminoacido,
l’acido aspartico.
Dopo 24 ore venivano raccolte tutte le molecole che avevano aderito alle due facce
speculari del cristallo.
Risultò che le facce sinistrorse della calcite selezionavano prevalentemente gli
amminoacidi sinistrorsi, il cui eccesso raggiungeva in alcuni esperimenti il 40%.
Quindi fu per puro caso che la molecola proteica destinata al successo si sia
sviluppata su un faccia di un cristallo che “preferiva” gli amminoacidi sinistrorsi
anziché quelli destrorsi.
Condizioni idrotermali
I sistemi idrotermali (hydrotermal vents) nei fondali oceanici possono aver
fornito uno scenario appropriato per la formazione abiotica e l’accumulo di
materiale organico sulla Terra “primitiva”, fornendo così composti organici
precursori per l’evoluzione della vita.
Sono stati condotti quindi degli studi i quali mostrano che la sintesi di
composti organici in ambiente acquoso è energeticamente possibile.
Questi studi mostrano che, per sistemi contenenti C, H ed O, i composti organici
principali sono gli acidi carbossilici, mentre compaiono in tracce alcoli, aldeidi e
chetoni.
Mentre studi simili condotti con l’aggiunta dell’N nel sistema, indicano che i
prodotti principali contenenti azoto sono l’urea, ammine e tracce di amminoacidi.
E’ stata simulata in autoclave la sintesi in condizioni idrotermali
degli amminoacidi alle seguenti condizioni (Strecker type) :
CH4, N2, CO2 a 325°C
I prodotti principali caratterizzati:
Glicina
Alanina
Serina
Acido aspartico
Acido glutammico
Pirite come fonte di Energia ed Ordine Moleculare
Ipotesi di un “pyrite world” (G. Wachtershauser )
Il primo “cammino” metabolico ebbe luogo in films di composti
organici semplici depositati sulla superficie di cristalli di pirite (FeS2).
La vita può essersi generata in un immobile “alveare" di FeS2
Queste “alveari-membrana” (precursori
delle membrane organiche) sono:
semi-permeabili
semi-conduttivi
in grado di catalizzare le reazioni
tenendo assieme i “building blocks”: H2,
NH3, HCN e CO2
La formazione di pirite:
FeS + H2S → FeS2 + 2H++ 2e-
produce energia, ΔG0 = -38.4 kJ mol-1
L’energia necessaria a questi composti per reagire deriverebbe da un
gradiente elettronico che si genererebbe spontaneamente nella membrana
di FeS2– producendo:
zuccheri, basi azotate ed ammino acidi
L’energia necessaria alla polimerizzazione di questi building blocks
deriverebbe da polifosfati originati nell’oceano.
Reazione di polimerizzazione
Adsorbimento di gliceraldeide-3-fosfato sulla
superficie di pirite seguita da polimerizzazione.
(Wachtershauser 1988)
Le teorie sull’origine della vita si possono dividere in due categorie:
Panspermia
Secondo questa ipotesi (avanzata dal chimico svedese
Svante A. Arrhenius agli inizi del XX secolo) la vita sarebbe
un componente fondamentale dell’Universo e quindi sarebbe
sempre esistita.
Viene supposto quindi che le forme viventi più semplici,
sotto forma di germi o spore, migrino attraverso lo
spazio ed a fungere da vettori sarebbero comete e
meteoriti.
Questi corpi celesti non solo svolgerebbero una funzione
di trasporto, ma avrebbero anche un ruolo fondamentale
nel proteggere le molecole dai raggi cosmici ad azione
altamente sterilizzante.
Uno degli argomenti usato contro l’ipotesi della panspermia
deriva dalla estrema termolabilità dei composti organici.
Come avrebbero resistito queste molecole al calore cui vengono
sottoposti i meteoriti all’ingresso nell’atmosfera?
La risposta a tale obiezione è stata fornita da alcuni ricercatori del
California Istitute of Technology, i quali hanno scaldato alcuni
frammenti del meteorite di Murchison, dimostrando che il cuore
del meteorite non ha mai superato i 40°C, una temperatura ben
tollerata dai composti organici.
Comunque l’ipotesi della Panspermia non fa che spostare il
problema dell’origine della vita su altri corpi celesti.
Conclusioni
La vita potrebbe aver avuto origine molto tempo prima che le condizioni
sulla superficie della Terra diventassero idonee per la sopravvivenza e
l’evoluzione delle prime entità viventi.
Ci sono molte teorie riguardanti i luoghi e gli ambienti in cui si sarebbero
originate le biomolecole necessarie allo sviluppo degli organismi viventi.
Ma queste sono solo teorie!!!
Teorie che spaziano da quelle
scientificamente più logiche …
… a quelle più bizzarre!!!