Planetologia
Extrasolare
Quale vita?
R.U. Claudi
Incursione nella biologia
Abitabilità intorno al
Sole ed altre stelle
Ricerca della vita
Definizione “Operativa” di Vita
Un sistema è vivo se:
-contiene informazioni
-scambia energia con l’ambiente
-è capace di autoreplicarsi
-È soggetto a variazioni casuali del suo
bagaglio di informazioni
Per continuare lo sforzo di generalizzazione…
Strutture fisiche basate sulla fisica dei solidi
e l’elettronica dei cristalli liquidi…
…i cui Habitat potrebbero essere pianeti
rocciosi con Tsup 200 250 K, o asteroidi…
…ma è difficile immaginare un processo
naturale che possa generarle
…Oppure sistemi basati sul plasma elettromagnetico…
http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html
…per i quali l’abitabilità è data dalle condizioni
del mezzo interstellare
La chimica basata sul Carbonio…
Si riduce facilmente: CH4
Si ossida facilmente: CO2
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
94%
89%
29%
81%
Ma soprattutto ha la capacità
di combinarsi facilmente per
formare molecole complesse
http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html
… in soluzione acquosa
Evoluzione
Reazioni Chimiche
Soluzione
Solido
Liquido
Troppo lente
Alcoli
NH3
Idrocarburi
CH4
Acqua
Perché l’acqua: caratteristiche
ε=80 Permette dissociazione
dei sali
Capacità di costruire legami H
con le molecole dissolte
Ottimo mediatore termico
Ampio intervallo di temperatura entro cui si mantiene
liquida
Allo stato di ghiaccio ha densità minore dello stato
liquido
Solventi liquidi alternativi
Idrocarburi
Metano
CH4
T fusione
C
-182.0
T ebollizione
C
-164.0
Etano
C 2H 6
-183.0
Metanolo
CH3OH
-97.0
64.7
Etilico
CH3CH2OH
-114.0
78.3
Ammoniaca
NH3
-77.7
-88.6
Alcoli
-33.3
Sono caratterizzati da un basso valore della costante
dielettrica, in alcuni casi non costruiscono legami H con i
soluti, in alcuni casi aggrediscono il materiale organico
(ammoniaca)
…insomma:
Sistema vivente, basato sulla chimica del
carbonio e che utilizza l’acqua come solvente
per le reazioni chimiche…
RICORDA QUALCOSA?
Strutture fisiche basate sulla chimica
organizzate in macromolecole lineari
Acido Peptico
Nucleico (PNA)
p-RNA
Palad
PaladThy
Bibl.:Maurel M.C., 1999
Composti Organici degli esseri viventi
Elementi strutturali
Proteine
Carboidrati
Enzimi
Trasmissione di segnali
all’interno della cellula
Scorte di energia
Lipidi
Acidi Nucleici
Immagazzinamento
e trasferimento di
informazioni
Proteine e Amminoacidi
• Le proteine sono formate da catene di
molecole dette amminoacidi
• Le proteine sono formate da catene
costituite da 14 – 500 amminoacidi, ma
possono arrivare fino a 30000.
• Solo 20 Amminoacidi (in natura sono
molti di più).
• Praticamente tutti hanno chilarità L,
solo uno ha chilarità D (Glicina)
Carboxyl group: COOH
O
O
H
Glicina
N
H
O
C
C
H
O
H
N
H
C
H
H
C
C
C
H
N
H
H
Amine Group: NH2
L-Alanine
H
O
C
C
O
H
H
C
D-Alanine
H
H
alanine
H
Peptide link
H
N
H
O
H
H
O
C
C
N
C
C
H
H
H
H
O
H
C
H
H
O
H
H
N
H
H
C
H
H
glycine
O
H
C
Central
carbon
atom
H
O
H
Alanina
H
H
I 20 amminoacidi
Alanina
A.Glutammico Leucina
Serina
Arginina
Glutammina
Lisina
Treonina
Asparagina
Glicina
Metionina
Triptofano
A. Aspartico Istidina
Fenilalalina
Tirosina
Cisteina
Prolina
Valina
Isoleucina
L’acido desossiribonucleico (DNA)
1 zucchero (desossiribosio)
nucleotide
1 gruppo fosfato
1 base azotata
Pirimidine
Purine
Dimensioni
fisiche della
superelica
del DNA
…e la Sintesi Proteica
Nessuna informazione
formazione
Trascrizione
Decodifica
Corrispondenza
tra amminoacidi
e triplette
Start: AUG (in
m-RNA)
Stop: UAA;
UAG,UGA (in
m-RNA)
Reperimento dell’energia
Energia chimica a
disposizione della cellula
previo la rottura dei
legami fosforici per
idrolisi enzimatica
ATP: Adenosintrifosfato
N H2
Legami ad alto
contenuto di Energia:
N
30 kJ/mol
O
N
Adenosina
O
O
O
P~ O
P ~O
P
O
O
O
N
N
O
Ribosio
O
CH2
OH
+
OH
Processi energetici
Tre processi fondamentali:
Fotosintesi: processo energetico che immagazzina
energia
Glucosio
hv
6CO2  6H 2O 

C6 H12O6  6O2
Ossidazione:

CH2O  O2 
 CO2  H 2O
Fermentazione:
Etanolo
C6 H12O6 
 C2 H 6O  2CO2
Processi
biochimici
esoenergetici
A volte la vita è proprio dura!
Battero Aerobico che ottiene
l’energia necessaria dalla
ossidazione del ferro e dello
zolfo
Ph
1.3-4.5
T
30-35 C
Dimensioni
Thiobacillus Ferrooxidans
1.0 m
Evidenze per un comune discendente
•Tutti gli esseri viventi conosciuti usano il DNA,
RNA, le proteine, gli zuccheri ed i grassi
•Può essere creata una sola gerarchia di specie
sempre più complesse
•Organismi simili biologicamente condividono la
maggior parte del DNA
•Discendente comune implica fossili di transizione
•Arti e organi primordiali, come per esempio le ali
dei pinguini
Albero Filogenetico e
progenitore comune
procariota
Eukariota
Metanococcus
CO2, H2, T 50°-86°
Alobacterium
5M/Litro di NaCl
• ESTREMOFILI
Archebatteri
Sulfolobus
Ph 1-5, T 65°-90°
Strain-121
T 121° (14/8/2003)
Vita nel Pre-Cambriano
Procarioti
Formazioni ferrose
Accumulo di Ossigeno libero
Eucarioti
Vita multicelluare
CO2  O2 
CO2  O2 
Animali molluschi
Umani
Formazione Crosta
Piante e fiori
4 Gya
3 Gya
2 Gya
1 Gya
Dinosauri e Uccelli
Trilobiti
Esplosione Cambriana
Tre linee di evidenza…
…che la vita si sia esistita 3.85 Gya e che era sottoforma di esseri
unicellulari
1. Ritrovamento di Stromatoliti
2. Ritrovamento di microfossili
3. Arricchimento di 12C
negli organismi fossili
Origine della vita: i fossili più antichi
•I fossili più antichi risalgono a 3.5 Gy e
sono stati trovati ad Apex Chert in Australia
dell’ovest e nell’africa del Sud
•Evidenza di formazioni di materiale
organico risalenti a 3.5 Gy nelle formazioni
ISUA in Groelandia
•Stromatoliti risalenti a 3.5 Gy in Australia
Esplosione Cambriana
•Piccole conchiglie fossili (1-5 mm)
•Conchiglie, scheletri e denti portano ad una
esplosione evolutiva di specie
•In 35 milioni di anni appaiono tutte le specie
moderne
•Le parti ossee e dure dei corpi incentivano
di molto il numero di fossili (Esplosione
Cambriana)
Orgine della vita: l’esperimento di Urey-Miller
Dopo una settimana il 15% del
carbonio si è trasformato in
composti organici. 2% in
amminoacidi (Glicina, α-alanina
and β-alanina)
•Critiche:
–L’atmosfera primitiva non
era fortemente riducente, non
così tanto!
–Ruolo della radiazione UV?
–Entrambe le chilarità sono
presenti con la stessa
abbondanza
Orgine della vita: sorgenti idrotermali
L’energia necessaria alla chimica
della vita può essere attinta al
calore geotermico.
Protezione dall’UV dovuta
all’acqua
Acqua emessa a 450 C
Estremofili, per es.:
Strain 121
Acqua riscaldata a 1000C
Orgine della vita: panspermia
•Gli amminoacidi sono stati trovati nello spazio
(precursori di ammino acidi nelle nubi molecolari,
glicina in Sagitarius B2).
•Eccesso di varietà di amminoacidi di Chiralità L
trovati nella meteorite di Murchison (Boatta, 2002)
•Produzione in laboratorio di amminoacidi da
ghiaccio spaziale irradiato da UV (“Nature 416”, 28
Mar 2002).
Meteorite di Murchison
Alcuni esperimenti Esobiologici
AMINO
SPORES
ISS
EXPOSE
ISS
EXPOSE
Studio della chimica del S.S. con relazione
all’origine della vita resitenza precursori biorganici
alle condizioni dello spazio
Comportamento di spore, batteri e funghi mischiati
con polvere meteoritica
ROSE/PUR
ISS
EXPOSE
Comportamento di amminoacidi, basi azotate e
acidi nucleici esposte a variazioni di T e radiazione
Ionizzante (UV e gamma)
BIOPAN
BIOPAN
Esposizione di batteri a condizioni estreme nello
spazio
PERSEUS
MIR
Esposizione di amminoacidi alle condizioni dello
spazio
Conclusioni
•Un sistema vivente è il risultato di un lento
processo di evoluzione dato dalla somma di eventi
con probabilità plausibile
•Appena l’ambiente diventa “abitabile” la vita si
afferma
•Il sistema di vita basato sulla chimica del
carbonio e sull’uso dell’acqua è il più probabile
•Sulla terra il sistema di codifica e decodifica
delle informazioni è basato sul DNA e sull’RNA, ma
abbiamo visto che possono esistere altri sistemi
per l’imagazzinamento delle informazioni