69° CONVEGNO "SCIENZA E FEDE"
Fognano, 25-27 maggio 2012
PIANETI EXTRATERRESTRI E ESOBIOLOGIA
L'origine della vita: singolarità o dinamica inesorabile?
Paolo Tortora
Dip.to di Biotecnologie e Bioscienze
Università di Milano-Bicocca
I TERMINI DEL PROBLEMA
I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)
La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)
Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)
Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui
fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?
I TERMINI DEL PROBLEMA
I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)
La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)
Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)
Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui
fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?
La scala dei tempi
(stabilita in base a diverse metodologie; soprattutto in base alla
radiodatazione delle rocce)
• L’età delle rocce più antiche: 4.5-4.6 milardi di anni
• Le prime testimonianze fossili:
3.5-3.8 miliardi di anni
Eobacterium
isolatum (impronta
fossile)
Stromatoliti
Depositi fossili macroscopici di
microrganismi, che risalgono ad
almeno 2 miliardi di anni fa
Rinvenuti in vari continenti
•
Earth forms 4.6 billion years ago
•
Solid surface forms 4 billion years ago
•
Life starts (?) 3.8 billion years ago
•
Age of Bacteria: Archaean era
•
Oxygen atmosphere develops 2 billion years ago
•
Eukaryotes develop. Proterozoic era
•
Edicarian life: 650 million years ago. First multicellular
life, forms unknown today
•
Cambrian explosion: most current life forms appear 550
million years ago
•
Paleozoic era: 550 – 250 million years ago. Marine
invertebrates, fishes, amphibians, invasion of the land.
Coal formation.
•
Permian mass extinction: 250 million years ago. 95% of
all life dies; end of Paleozoic
•
Mesozoic: 250-65 million years ago. Age of the
dinosaurs (reptiles). Mammals, birds, and flowering
plants appear
•
Cretaceous mass extinction: asteroid hits the Earth,
killing much of life, including the dinosaurs.
•
Cenozoic era: 65 million years ago till present.
Mammals dominant
Eventi importanti
nell’evoluzione
biologica
Con la comparsa dell’ossigeno (quasi esclusivamente di origine
biologica: deriva dalla fotosintesi) compare il metabolismo
ossidativo e compaiono le cellule eucariotiche
Cellule procariotiche e cellule eucariotiche
Procariotiche: nessuna
compartimentazione;
dimensioni attorno a 1-2 m
Eucariotiche:
compartimentate; dimensioni
attorno a 10-20 m. Proprie
di tutti gli organismi
pluricellulari
L’ambiente primitivo
Terra primordiale
• più calda di quella attuale
• bombardata da asteroidi
• con raccolte d’acqua (forse già oceani)
• atmosfera: ricca in vapor d’acqua. Poteva contenere in prevalenza
ammoniaca, metano, idrogeno (composti idrogenati, allo stato
ridotto), somigliante a quella dei pianeti esterni giganti;
oppure (ipotesi alternativa):
azoto + anidride carbonica
NB: è altamente probabile che la vita
sia comparsa in tempi molto brevi, non
appena le condizioni chimico-fisiche
lo hanno consentito!
(tra 4.6 e 3.8 miliardi di anni fa il
periodo “vivibile” è stato certamente molto più breve di 800 milioni di
anni)
I TERMINI DEL PROBLEMA
I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)
La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)
Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)
Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui
fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?
Dove cercarla?
Il minimo indispensabile per la costruzione di un
organismo elementare (unicellulare)
• Un deposito di informazione che contenga il progetto per la costruzione
dell’organismo e che possa essere replicato quasi invariante
(di norma il DNA)
• I componenti del macchinario per il funzionamento
dell’organismo (un ampio repertorio di proteine)
• Una rete di reazioni per la fabbricazione
delle molecole necessarie e per l’ottenimento
di energia necessaria alle differenti funzioni
(metabolismo)
• Un sistema di confinamento dell’organismo
per delimitarlo dall’ambiente (membrana cellulare:
composta da un doppio strato lipidico, in determinate
condizioni capace di autoasemblarsi)
Macromolecole (in biologia sono così dette molecole aventi funzioni
primarie, normalmente di grosse dimensioni, costruite mediante
assemblaggio di un repertorio limitato di molecole molto più piccole,
i building blocks o blocchi di costruzione)
1 – Le proteine: sono composti di amminoacidi (i blocchi di costruzione) che si
uniscono a dare polimeri filiformi ma raggomitolati a dare strutture compatte.
Sostengono tutte o quasi le funzioni biologiche.
(Una rassegna di strutture proteiche secondo la rappresentazione convenzionale più frequentemente
utilizzata)
Quattro dei venti amminoacidi che compongono le proteine
Gli amminoacidi condensano insieme formando un
legame peptidico, formando così lunghi polimeri lineari,
per l’appunto le proteine
2 – Acidi nucleici: polimeri filiformi di nucleotidi (i blocchi di costruzione). Il
principale ruolo è l’immagazzinamento dell’informazione per la produzione delle
proteine
La struttura elicoidale a doppio filamento del
DNA (acido deossiribonucleico), il principale
depositario dell’informazione genetica. I geni
sono tratti di DNA che normalmente codificano
proteine.
I quattro nucleotidi “canonici” che compongono il
DNA (composti ciascuno di una diversa base azotata,
dello zucchero deossiribosio e di un fosfato
I due filamenti di DNA hanno sequenze complementari; vale a dire, le basi si appaiano in
modo tale per cui una adenina (A) su un filamento si leghi mediante legami idrogeno con
una timina (T) sull’altro filamento; una guanina (G) su un filamento si leghi mediante
legami idrogeno con citosina (C) sull’altro filamento (sono le cosidette regole di Chargaff)
Questa struttura ha immediatamente suggerito a Watson e Crick
che la proposero una modalità di replicazione del DNA. In effetti
ciascuno dei due filamenti mantiene la stessa informazione (come
sequenza di basi), sia pur in modo complementare. Di
conseguenza, durante la replicazione ciascun filamento funge da
stampo per la sintesi di un filamento complementare.
3 - Un altro acido nucleico, l’RNA (acido ribonucleico) è strutturalmente molto
simile al DNA, ma può presentare anche tratti a singola elica.
Al posto della timina, possiede una base leggermente diversa l’uracile (U). Si
tratta di una timina non metilata.
L’RNA ha un ruolo fondamentale nella
traduzione, cioè nel processo di
decodificazione dell’informazione
contenuta nel DNA, che è alla base della
sintesi delle proteine.
Il codice genetico
Il DNA immagazzina (in forma lineare) l’informazione per la sintesi
delle proteine (esse stesse polimeri lineari) codificandola mediante
una specifica sequenza di tre nucleotidi per ogni amminoacido
Il dogma centrale della biologia molecolare:
il flusso dell’informazione è unidirezionale, nella direzione
DNA RNA proteine
Replicazione
Le proteine presiedono alla
loro propria sintesi,
partecipando a trascrizione e
traduzione. Presiedono anche
alla replicazione del DNA
che codifica il progetto
dell’organismo, incluse
sequenze e strutture di tutte
le proteine!
Proteine
Il dogma centrale della biologia molecolare è solo uno degli
esempi (con ogni probabilità il più prominente) che mette in
evidenza un problema chiave e
ineludibile legato alla
comparsa degli organismi nel corso della evoluzione
molecolare:
È ben difficile immaginare un processo evolutivo che porti alla comparsa di
una classe di molecole biologiche per volta (es. prima DNA e poi proteine, o
viceversa). Infatti tutti i componenti molecolari, qualsiasi sia la loro natura
chimica, debbono cooperare interagendo tra loro in modo perfettamente
coordinato
come analogia di un sistema vivente non si può prendere un
edificio o una macchina, perché questi possono essere
assemblati pezzo per pezzo, mentre un sistema vivente richiede
la presenza contemporanea di tutti (o quasi) i pezzi per
sostenere tutte le sue funzioni
Alcune riflessioni di Erwin Chargaff
sul fenomeno “vita”
“Probabilmente non è un caso che fra tutte le
scienze sia proprio la biologia quella che non riesce
a definire l’oggetto che studia: noi non possediamo
una definizione scientifica della vita. In effetti sono
solo cellule e tessuti morti quelli che vengono
sottoposti alle analisi più dettagliate.”
1905-2002
“L’analisi delle parti che compongono un
organismo vivente comporta, salvo poche eccezioni,
il venire meno dell’elemento essenziale della vita
stessa.”
“Nella nostra caccia ai frammenti abbiamo smarrito
le sublimi fattezze della vita.”
(Erwin Chargaff. Tratto da: “Mistero impenetrabile”)
Chargaff’s rules
I TERMINI DEL PROBLEMA
I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)
La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)
Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)
Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui
fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?
Per cominciare
Chimica prebiotica
le prime semplici molecole organiche blocchi di costruzione
Abiogenesi (Molecole e sistemi biologici)
macromolecole cellule
La chimica prebiotica: L’esperimento di Stanley Miller (1953)
Stanley Miller (1930-2007)
In
condizioni
chimico-fisiche
opportune
(temperatura, fonte di energia, etc.) si formano
alcuni “blocchi di costruzione” (amminoacidi,
ma non solo) a partire da molecole molto
semplici come ammoniaca e metano in soluzione
acquosa
È stata dimostrata la presenza di composti di questo tipo negli
spazi interstellari e in certe particolari meteoriti, dette condriti
carbonacee
Anche nell’Universo sembra esistere una chimica
prebiotica: i composti chimici elementari manifestano
una intrinseca tendenza ad autoassemblarsi generando i
blocchi di costruzione
Gli scenari della abiogenesi - 1
Oparin si può considerare il fondatore delle ricerche
sull’origine della vita in senso moderno. Nel 1924 è il primo a
proporre una teoria in cui include introduce il concetto di
“brodo primordiale”. Assume inoltre che in tale soluzione,
ricca di composti organici di diversa natura, l’evoluzione
chimica porti alla formazione di molecole organiche sempre
più grandi e complesse, talché il brodo acquista le
caratteristiche di una soluzione colloidale (vale a dire,
contenente un’alta concentrazione di macromolecole); propone
quindi che i soluti macromolecolari si separino dalla soluzione
sotto forma di gel, che lui denomina coacervati, entità
individuali ben distinte dalla parte rimanente della soluzione.
Oparin è il primo a tentare un approccio scientifico del
problema dell’origine della vita, assumendo che in presenza di
opportuni ingredienti si realizzi spontaneamente un’autoassemblaggio di molecole, che porta alla formazione di cellule
primordiali. Tuttavia egli non solo elude, ma sembra non
immaginare neppure il problema chiave, vale a dire l’esistenza di
un deposito di informazione che consenta una riproduzione in
Aleksandr Oparin
modo sostanzialmente invariante della cellula.
(1894-1980)
Gli scenari della abiogenesi - 2
Nel 1958, il biochimico statunitense Sidney Fox conduce una
sperimentazione che si basa sull’assunto che gli organismi
primordiali si siano formati attorno ai vulcani, grazie
all’azione del calore prodotto da essi sui gas atmosferici, la cui
composizione, secondo Fox, era nella sostanza la stessa
ipotizzata da Miller. In base a questo a questi presupposti, egli
sottopone a riscaldamento la miscela di gas in condizioni
anidre, ed ottiene dei polimeri ad alto peso molecolare
composti da amminoacidi che denomina proteinoidi. Rispetto
alle proteine, i proteinoidi consistono di un assemblaggio
casuale ed anche ramificato di un repertorio ristretto di
amminoacidi. Disciolti in acqua, i proteinoidi si suddividono in
sferette microscopiche di forma molto regolare e di dimensioni
paragonabili a quelle delle cellule procariotiche. Microsfere
è la denominazione che egli attribuisce a queste sferette, ed
assume che esse siano i progenitori delle prime cellule.
Anche in questo caso il problema dell’origine dell’informazione genetica resta completamente eluso.
Sidney Fox
(1912-1998)
Gli scenari della abiogenesi - 3
Negli anni ottanta il tedesco Günter Wächtershäuser propone la
teoria del mondo a ferro-zolfo. Egli postulò l'evoluzione di vie
metaboliche come fondamento dell'evoluzione della vita. Essa si
sarebbe verificata in corrispondenza dei “black smokers”, emissioni
vulcaniche sottomarine presenti in corrispondenza delle dorsali
oceaniche. In tale ambiente sono disponibili calore e composti ridotti
dello zolfo, che si tra-formano generando energia. Pertanto, in
contrasto con l'esperimento di Miller classico, i "sistemi di
Wächtershäuser" funzionano con una risorsa energetica endogena, i
solfuri di ferro e altri minerali come la pirite. La reazione di
ossidoriduzione di questi solfuri metallici libera energia che non solo
è disponibile per la sintesi di
molecole
organiche
ma
anche per la formazione di
oligomeri e polimeri. È
pertanto ipotizzato che tali
sistemi possano evolvere in
insiemi autocatalitici di entità metabolicamente attive e
autoreplicantesi, che avrebbero preceduto le forme di
vita oggi conosciute.
Günter Wächtershäuser
(1938- )
Gli scenari della abiogenesi - 4
1
4
2
5
3
Sidney Altman
(1939-)
Thomas Cech
(1947-)
Nel 1989 il premio Nobel per la chimica viene
attribuito a Sidney Altman (canadese) e Thomas
Cech (statunitense) . Essi dimostrano che alcune
molecole di RNA sono capaci di catalizzare
specifiche reazioni. In particolare si tratta di
reazioni di rimaneggiamento di trascritti (vale a
dire, altre molecole di RNA che codificano
specifiche proteine), ma anche della reazione di
formazione del legame peptidico durante la sintesi
proteica. Ciò ha una rilevanza biologica di
prim’ordine, dato che la catalisi è una delle funzioni biologiche fondamentali, ed in precedenza si
riteneva fosse sostenuta esclusivamente da proteine.
Poiché l’RNA può anche contenere l’informazione
genetica, la scoperta ha suggerito che esso possa
rappresentare la molecola base delle forme
primordiali di vita. Molecole di RNA potrebbero
infatti assommare in se stesse le due funzioni base:
catalisi e deposito dell’informazione. L’RNA potrebbe
essere stato al contempo “uovo” (deposito di
informazione) e “gallina” (l’informazione attuata).
Viene coniata l’espressione RNA world.
Alcune considerazioni di metodo
Questa breve rassegna (molto incompleta!!) di alcune teorie formulate per
dare ragione dei meccanismi all’origine dei sistemi viventi primordiali ci
induce ad alcune riflessioni:
- Con ogni evidenza tali teorie risentono in modo decisivo delle conoscenze biologiche
(e in parte anche geologiche) disponibili all’epoca della loro formulazione. Pertanto
esse riflettono soprattutto lo sviluppo del pensiero scientifico nell’arco del XX secolo: è
più sulla base degli sviluppi della biologia molecolare che le teorie si sono affinate,
piuttosto che sulla base di sperimentazioni specificamente orientate a tentare di
riprodurre il fenomeno della abiogenesi.
- Il limite più grosso di tutte le teorie è che esse affrontano un aspetto per volta,
trascurando così il problema fondamentale legato alla natura del vivente, vale a dire
che esso consiste di componenti che operano tutte insieme interagendo in modo
coordinato, e che quindi non possono essere comparse una dopo l’altra. L’unica teoria
che in parte, ma solo in parte, tiene conto di questo aspetto critico è quella del mondo a
RNA.
- Resta irrisolto uno dei problemi chiave della abiogenesi, vale a dire come abbia potuto
prodursi un sistema ordinato (e quindi dotato di una contenuto informativo) a partire
da un mondo caotico e quindi privo d’informazione. Si deve assumere una tendenza
intrinseca della materia a progredire lentamente in tale direzione, autoorganizzandosi.
Altre importati osservazioni - 1
Nel mondo attuale esistono organismi procariotici dei quali si ritiene, per le loro
caratteristiche molecolari, che abbiano conservato le caratteristiche degli organismi più
antichi, molto simili ai primi comparsi sulla Terra. Tali organismi sono denominati per
l’appunto archibatteri. Uno dei riscontri della loro antichità è il fatto che sono adattati
a condizioni chimico-fisiche estreme, oggi presenti in nicchie ecologiche molto ristrette,
e con ogni probabilità rappresentative delle condizioni della Terra primordiale. Alcuni
di essi, ad esempio, sono adattati a temperature prossime all’ebollizione (in certi casi
addirittura superiore) e a valori di pH estremamente acidi (2-3). Si tratta di condizioni
ambientali che oggi si possono riscontrare in corrispondenza di emissioni vulcaniche.
Ebbene, almeno al livello molecolare, la
complessità di tali batteri non è lontanissima da
quella degli organismi superiori. Dunque, la
abiogenesi non ha lasciato alcuna forma
intermedia del processo! Plausibilmente, tali
forme ipotetiche non possedevano sufficiente
stabilità da consentir loro di perpetuarsi nel
tempo.
L’archibatterio Sufolobus solfataricus è stato
isolato dalle emissioni vulcaniche della solfatara
di Pozzuoli (oltre che nel parco di Yellowstone),
dove cresce a più di 85°C e a pH < 3.
Altre importati osservazioni - 2
L’analisi molecolare del genoma e delle altre caratteristiche molecolari degli
organismi oggi esistenti ha portato alla conclusione, virtualmente certa, che tutti
discendono da un unico progenitore comune. Questo microrganismo ipotetico è
stato denominato LUCA (Last Universal Common Ancestor). Ciò equivale a dire,
in altre parole, che il mondo biologico è monofiletico.
Questa osservazione suscita la ovvia domanda se la vita si sia sviluppata un’unica
volta nella storia del nostro
pianeta, oppure se vi siano
stati molteplici tentativi, tutti
abortiti tranne uno (quello da
cui anche noi ci siamo originati). Non abbiamo attualmente
alcun elemento per poter
rispondere a questa domanda
(e forse non sarà mai possibile
rispondervi).
Per altro verso, si sta lavorando per definire in modo sempre più dettagliato quali fossero le caratteristiche molecolaLUCA
ri di questo progenitore.
I TERMINI DEL PROBLEMA
I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)
La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)
Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)
Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui
fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?
Quali e quante sono le condizioni indispensabili perché su un
pianeta si sviluppi la vita?
Una riflessione superficiale sul tema potrebbe far credere che i prerequisiti chimico-fisici
perché un ambiente sia idoneo a consentire l’origine della vita siano relativamente pochi
e semplici (ad esempio, presenza d’acqua e temperature non troppo alte né troppo basse).
In realtà i progressi dell’astrofisica (ma anche della biologia) dimostrano che il problema
è molto più complesso; vale a dire che i prerequisiti richiesti sono davvero parecchi.
Questa stessa analisi dimostra, di conseguenza, che il pianeta Terra è un ambiente
particolarmente privilegiato, se non proprio unico.
Affrontiamo dunque il problema prendendo in esame almeno alcune delle condizioni
richieste.
•
•
•
Il Sole deve essere una stella di seconda generazione, derivante dalla condensazione
della materia prodotta dall’esplosione di una supernova. Nell’esplosione si producono
elementi pesanti (come ad esempio il ferro), indispensabili per la “costruzione” degli
organismi.
Il Sole non deve essere parte di un sistema binario, vale a dire composto di due stelle:
ciò comporterebbe irradiazioni di intensità estremamente variabile sui pianeti, con
una conseguente drammatica instabilità climatica.
Il Sole deve orbitare nella galassia non troppo vicino al centro. In prossimità del
centro l’intensità delle radiazioni cosmiche sarebbe idonea a sterilizzare ogni
tentativo di vita.
Galactic Habitable Zone?
•
•
•
L’irradiazione del Sole deve essere
sostanzialmente costante nel tempo
(come in effetti è, mentre ciò non è
appannaggio di tutti i sistemi
planetari). Ciò ha consentito il
mantenimento di acqua liquida
sulla superficie del pianeta per
miliardi di anni.
La Terra deve essere un pianeta
roccioso, che ruota attorno al Sole
alla distanza “giusta” e con
un’orbita non troppo ellittica, così
da permanere entro un intervallo di
distanze dalla stella idoneo a
garantire la permanenza di acqua
liquida.
La presenza di pianeti giganti
gassosi esterni ha garantito, grazie
al loro forte campo gravitazionale,
una sostanziale protezione da
impatti di asteroidi nell’arco di
miliardi di anni.
•
•
La presenza di un satellite massiccio
(la Luna) ha garantito alla Terra una
notevolissima stabilità nell’inclinazione dell’asse di rotazione del nostro
pianeta. In mancanza di ciò il clima
avrebbe subito ripetutamente variazioni vertiginose (con cambiamenti
della temperatura media anche di
parecchie decine di gradi) nell’arco di
tempo in cui si è verificata l’evoluzione biologica. Nessun altro pianeta
del sistema solare possiede un satellite
di massa così relativamente elevata,
come quella della Luna rispetto a
quella della Terra.
La tettonica a placche e il conseguente
vulcanesimo, ha garantito un apporto
di CO2 nell’atmosfera tale da
generare un effetto serra naturale,
senza il quale la temperatura –
secondo alcune stime – sarebbe stata
più bassa di circa 30°C.
“Rimozione” della
Luna
•
La Terra possiede un forte campo
magnetico
(contrariamente
alla
maggior parte dei pianeti del sistema
solare) che scherma la superficie da
buona parte dei raggi cosmici. In sua
assenza la superficie verrebbe sterilizzata da un continuo bombardamento
di radiazioni.
Qual è dunque la probabilità? (e quindi la frequenza?)
La probabilità di un evento composto è data dal prodotto delle probabilità
degli eventi singoli
Su questo principio si basa la formula di Drake (anni ‘60):
N = R f1 f2 ne f3 f4 f5L
N: numero di civiltà nella nostra Galassia
R: tasso medio di formazione di stelle nella Galassia
f1: frazione di stelle con proprietà compatibili con lo sviluppo della vita
f2: frazione di stelle che hanno sistemi planetari
ne: numero medio di pianeti, in un sistema planetario, che possiedono un ambiente favorevole alla comparsa
della vita
f3: frazione di pianeti in cui la vita effettivamente è nata
f4: frazione di pianeti in cui la vita si è sviluppata fino a generare forme intelligenti
f4: frazione di pianeti in cui la vita si è sviluppata fino a generare forme intelligenti capaci di tecnologie
avanzate
L: vita media delle civiltà evolute
The Drake equation:
“A wonderful way to organize our ignorance”
Jill Tarter
(Former Director of the Center for SETI Research)
Dunque?
• La combinazione di tutti i prerequisiti chimico-fisici (che abbiamo sopra
discusso a grandi linee) potrebbe rendere la probabilità di un pianeta abitabile
evanescentemente piccola.
• La vita potrebbe non esistere nell’Universo (al di fuori della Terra) perché
l’Universo è “troppo piccolo”! Solo 1023 stelle.
Inoltre…
Qual è la probabilità che a fronte di condizioni chimico-fisiche compatibili, la
vita si sviluppi effettivamente?
Le stime vanno da 1 (=100%) a 10-40000 …
(Stuart Kauffman – At home in the Universe)
"Se si vuole sostenere il concetto che la vita abbia avuto un'origine
inorganica puramente casuale, ogni altra speculazione diviene
impossibile: ogni cosa non risulterebbe altro se non il frutto di un
caso. Quando tuttavia ci rendiamo conto che la probabilità che la vita
sia nata per caso è talmente minuscola da rendere assurdo questo
concetto, diviene ovvio pensare che le proprietà della fisica che hanno
favorito la nascita della vita siano sotto ogni aspetto qualcosa di
deliberato".
F. Hoyle e N.C. Wickramasinghe.
(da “Evolution from space”)
