Pietro Greco Ischia 30.03.2012 Evoluzioni Sistema Complessità Evoluzione Fisico Non elevata o disorganizzata Einsteiniana Biologico Organizzata Darwiniana Socioculturale Organizzata e teleologica Lamarckiana Il problema delle origini tre trascendimenti evolutivi Sistema Tempo Spiegazione (anni dal presente) Universo 13,4 x 109 dal nulla a qualcosa Big Bang Biologico 3,9 x 109 dal non vivente al vivente Brodo primordiale Socioculturale 2,5 x 106 Dal biologico al Encefalizzazione Socializzazione Non ancora esauriente Non ancora esauriente Non ancora esauriente Tre ipotesi • 1. L’ipotesi creazionista – La vita è stata creata da un’Entità superiore che non risponde alle leggi di natura – Non è un’ipotesi scientifica (non può essere dimostrata) • 2. L’ipotesi extraterrestre o di panspermia – La vita è nata fuori dalla Terra per evoluzione naturale della materia non vivente – Possibile ma non risolve la questione del “come” • 3. L’ipotesi “tutta terrestre” – La vita è nata sulla Terra per evoluzione naturale della materia non vivente – Su cui conviene fermarsi Come ha avuto origine la vita? • Non lo sappiamo, però… • Sappiamo che: • 1. Forme di vita esistevano sulla Terra già in un passato remoto (fra 3,5 e 3,9 miliardi di anni fa) • 2. la Terra è “nata” 4,55 miliardi di anni fa) • 3. Materia vivente e non vivente sono fatte “della stessa materia” e rispondono alle medesime leggi fisiche e chimiche. Non esiste alcuna speciale “forza vitale” La Terra primordiale Akilia Le rocce più antiche Le prime forme di vita? Ipotesi evolutiva premesse • Confutata la generazione spontanea – Francesco Redi, 1668 – Louis Pasteur, 1864 Darwin e LUCA • C’è stato un antenato comune • Darwin dice che in origine ci sono state: “poche forme o una soltanto”. – Universalità del codice – Analisi filogenetica • LUCA • Last universal common ancestor – Fossili Darwin e il brodo primordiale • La generazione spontanea iniziale • Darwin sostiene che la vita deve essere nata in un "piccolo e tiepido stagno, contenente ammoniaca e sali fosforici, luce, calore, elettricità, ecc., in modo che una proteina fosse chimicamente prodotta pronta per subire nuovi e più complessi cambiamenti". Darwin e l’unicità dell’esperimento • “Oggi tale materia sarebbe istantaneamente divorata o assorbita, cosa che non sarebbe avvenuta prima della formazione delle creature viventi". • In altre parole è la stessa presenza della vita che impedisce ogni nuova “generazione spontanea”. Come è nata, dunque? • Sostiene Mario Ageno • Ogni spiegazione deve tenere presente che: “il progressivo indebolirsi, fino a svanire del tutto con il passare del tempo, della significatività delle leggi e della forza delle deduzioni logiche, la teoria riducendosi alla fine alla descrizione di un susseguirsi di eventi particolari imprevedibili, logicamente collegati e organizzati solo in base alle loro concatenazioni nel tempo”. • Non c’è spiegazione possibile in biologia se non alla luce della storia. • Difficilmente troveremo la pistola fumante Complessità Dell’atomo più semplice Dell’organismo più semplice Macromolecole biologiche Proteine 20 aminoacidi Acidi nucleici 4 basi nucleotidiche Il brodo primordiale Ipotesi ed esperimenti • L’ipotesi di Oparin e Haldane Atmosfera riducente L’esperimento di Miller • Atmosfera riducente metano, ammoniaca, idrogeno, acqua • metano, ammoniaca, idrogeno, “oceano “di acqua ↓ energia • ↓ energia elettrica • Monomeri organici • Monomeri organici • ↓energia • Polimeri organici Il brodo primordiale Evitato l’effetto Venere Oggi sappiamo che, intorno a 4 miliardi di anni fa, l’atmosfera era composta al 90% da azoto e solo al 5% di anidride carbonica. • La temperatura alla superficie era scesa sotto il punto di ebollizione dell’acqua. • Giù c’è l’oceano liquido e qualche terra emersa Il brodo primordiale c’era Sei ulteriori vincoli per ogni ipotesi • 1. L’antenato “deve” essere comune – Anche se sono nate “diverse” forme di vita sono tutte abortite tranne una Sei ulteriori vincoli per ogni ipotesi • 2. Qualunque sia stato il primo materiale genetico (capace di riprodurre e trasferire informazione) doveva – A) avere la possibilità di ospitare l’informazione genetica – B) possedere capacità autocatalitiche – C) essere dinamicamente stabile (velocità di formazione maggiore della velocità di distruzione) – D) i monomeri dovevano essere largamente disponibili Sei ulteriori vincoli per ogni ipotesi • 3. La duplicazione deve essere precisa, ma non troppo. Sei ulteriori vincoli per ogni ipotesi • 4. Il metabolismo deve essere protetto (qualcosa, come una membrana, separa l’interno dell’organismo dall’ambiente) Sei ulteriori vincoli per ogni ipotesi • 5. L’organismo deve avere accesso a una fonte di energia utilizzabile (energia libera). Sei ulteriori vincoli per ogni ipotesi • 6. Flessibilità. Una porta deve essere lasciata libera all’imprevedibile Cosa? Sei personaggi in cerca di un ruolo 1) 2) 3) 4) 5) 6) L’ipotesi del virus L’ipotesi del Dna o dei geni nudi L’ipotesi del mondo a Rna L’ipotesi dell’argilla L’ipotesi proteica Le ipotesi fenotipiche 1. Ipotesi del virus • Avanzata da Haldane già alla fine degli anni '20. Da poco erano stati scoperti i virus, che apparivano come elementi di transizione tra il vivente e il non vivente. • Haldane propone allora che i virus si sono sviluppati prima delle cellule. • Oggi, tuttavia, sappiamo che i virus sono costituiti da materiale genetico (Dna o Rna), oltre che da proteine, e che sono parassiti delle cellule. I virus, non c'è dubbio, sono venuti dopo le prime cellule. 2. L'ipotesi del Dna o dei geni nudi. • Molti sostengono che tuttavia la cellula e il suo ambiente non sono altro che un veicolo per la sopravvivenza dei geni. Cioè macchine create dal Dna per far sopravvivere il Dna. Secondo i fautori della preminenza del Dna, la vita avrebbe avuto origine da virus rudimentali, ovvero da geni privi di protezione cellulare. Da geni nudi. Costituiti, naturalmente, da acido deossiribonucleico. Questa ipotesi non ha molto credito. 2. L'ipotesi del Dna o dei geni nudi. • Questa ipotesi non ha molto credito. Perché implica non solo che è possibile la formazione spontanea di Dna significante, cioè contenente l'informazione necessaria a produrre una proteina. Ma anche la sintesi spontanea di proteine in grado di far funzionare questo Dna. • Senza proteine, infatti, il Dna è incapace di svolgere alcuna funzione. Gli enzimi necessari al funzionamento dei geni nudi si sarebbero dovuti formare spontaneamente, si sarebbero dovuti spontaneamente incontrare con il Dna ed entrambi avrebbero spontaneamente dovuto verificare di essere biologicamente adatti. La probabilità che sia avvenuto questa concatenazione di eventi è pressoché nulla. 3. L'ipotesi del mondo a Rna. • Alla fine degli anni '60 Leslie Orgel e Carl Woese hanno ipotizzato un meccanismo capace di superare il gap della doppia origine contemporanea. • C'è una sola molecola decisiva per l'origine della vita: l'Rna. Orgel e Woese avanzarono le ipotesi che l'Rna: è apparso per primo; che è autoreplicante; che, inoltre, è capace di una certa attività enzimatica, cioè di accelerare le reazioni chimiche deossiribosio ribosio Un mondo a Rna • A rilanciare l'ipotesi Rna ci sono le ricerche effettuate da Thomas Cech e da Sidney Altman. • I due americani scoprono nel 1983 che in circostanze plausibili l'Rna possa autocatalizzare la propria formazione. Di più, l'Rna autocatalitico è in grado di accelerare la formazione anche di Rna diverso, funzionando come un vero e proprio enzima. Per questo l'Rna di Cech ed Altman è stato chiamato ribozima, o enzima a Rna. Tuttavia il problema fondamentale resta aperto: come si è formato questo acido polinucleico? 4. All’origine fu l’argilla • Graham Cairns-Smith ha suggerito che i primi sistemi «genetici» potrebbero essere state argille autoreplicanti. L'informazione sarebbe stata contenuta in una coerente distribuzione di cariche sulla loro superficie e la replicazione sarebbe avvenuta per sovrapposizione di particelle Successivamente tale sistema avrebbe incorporato composti del uguali, ma di carica opposta carbonio e dato origine alle molecole biologiche «moderne». 4. All’origine fu l’argilla • Una versione nuova dell'origine inorganica della vita, basata sulla pirite, viene da un dilettante tedesco, Günter Wächtershäuser. • L'ipotesi è stata ritenuta plausibile, tra gli altri, da Carl Woese e dal filosofo Karl Popper. 4. All’origine fu l’argilla • Un'altra ipotesi inorganica è quella di Christian de Duve, vincitore di premio Nobel per i suoi studi sulla struttura della cellula. La teoria di de Duve postula che nel brodo primordiale i tioesteri, composti che hanno un ruolo importante nel metabolismo cellulare, potrebbero essere stati una fonte di energia per cellule primitive. Secondo de Duve i tioesteri, in un ambiente caldo e acido, avrebbero prima determinato cicli di reazioni simili a quelle del moderno metabolismo, catalizzate da protoenzimi. Alla lunga questi cicli di reazione avrebbero generato Rna. 5. L’ipotesi proteica • Le proteine si organizzano spontaneamente in ogni ambiente primitivo privo di ossigeno. • Hanno capacità autoreplicanti. • Sull'ipotesi proteica dell'origine della vita hanno lavorato a lungo, tra gli altri, Cyril Ponnamperuma, Robert Shapiro, Freeman Dyson. 6. Le ipotesi fenotipiche • Prima l’involucro. • Il primo a immaginare che il problema dell'origine della vita non risiede tanto nella formazione del materiale genetico, ma nella formazione di un ambiente adatto a ospitarlo, è stato lo stesso Aleksandr I. Oparin. Il russo avanzò l'ipotesi dei coacervati, ovvero di soluzioni acquose di polimeri a diverso tasso di idrofilia. 6. Le ipotesi fenotipiche • L'ipotesi è stata ripresa negli anni '70 dall'inglese Sidney Fox, che ha ottenuto, in un ambiente analogo a quello delle sorgenti termali oceaniche, dei protenoidi (proteine che non si trovano in natura oggi) capaci di associarsi in acqua per formare microsfere con una serie così interessante di proprietà da indurre Fox ha ribattezzarle protocellule. 6. Le ipotesi fenotipiche • Mario Ageno è stato, probabilmente, l'autore che, a livello teorico, è andato più avanti. Immaginando la formazione di sacche lipidiche a doppia parete nell'oceano primordiale. • Sottoposte a selezione darwiniana. Come? Approcci epistemologici • 1) Il caso (Monod) • 2) La necessità • Darwiniana (Eigen) • Non darwiniana (Kaufmann) • 3) La contingenza (Gould) 1. Jacques Monod • Le molecole biologiche sono emerse per caso • Un miracolo statistico • Siamo soli “nell’immensità indifferente del cosmo” Manfred Eigen, necessità (darwiniana? • Se si considera che la formazione casuale di un solo gene formato da un acido polinucleico di appena 1000 monomeri a partire dalle 4 basi nucleotidiche, è pari a 41000, cioè a 10608, mentre la materia che contiene l'universo potrebbe esplorare, se fosse tutta coinvolta nell'impresa biologica, solo 1075 diverse concatenazioni di 1000 monomeri, si è portati a credere che il patrimonio genetico dei viventi non è, non può essere, il puro frutto del caso. Eigen e la selezione naturale • Eigen propone di generalizzare la teoria dell'evoluzione delle specie per selezione naturale di Charles Darwin. Sostenendo che la selezione funziona per una popolazione di macromolecole così come per una popolazione di organismi viventi. Anzi, più che in una popolazione di organismi viventi. Stuart Kaufmann, oltre la selezione naturale • Esiste una legge di complessità crescente • La vita può rinascere in laboratorio • At home in the universe La contingenza Stephen J.Gould • La vita come un pennacchio di San Marco? • Né caso né necessità • Una contingenza Biologia sintetica una nuova origine?