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?
