L`origine della vita

Origine della vita sulla Terra
•Sintesi prebiotiche sulla superficie
della Terra
Generazione spontanea
•
Aristotele fu il primo a riflettere profondamente sul problema
dell’origine della vita. Egli ammetteva la possibilità della generazione
spontanea (formazione di organismi viventi dalla materia non vivente),
nell’attuale atmosfera, come era in effetti comune osservare (ad
esempio vermi e insetti che si generavano in alcuni siti).
•
Questa tesi fu confutata solo a metà del 19-esimo secolo dopo diversi
tentativi in laboratorio ad opera di alcuni sperimentatori.
•
(1862) Louis Pasteur, dimostra che i microrganismi si generano solo
da altri microorganismi nelle condizioni ambientali attuali.
Egli fece alcuni esperimenti utilizzando ampolle di vetro a collo di
cigno, che non permettevano ai microorganismi presenti nell’aria di
raggiungere il brodo nutritivo contenuto nell’ampolla.
Nel brodo bollito non si originavano microorganismi.
Nelle condizioni attuali la vita non può
originarsi dalla materia inorganica
La generazione spontanea richiederebbe:
•
l’accumulo in qualche parte di una notevole quantità di composti organici e
dell’apporto di una sorgente di energia libera che permetta l’attuarsi di
processi chimici.
Un tale accumulo oggi è impossibile:
•
per l’insidia dei microrganismi ovunque presenti in natura e pronti ad utilizzare
tutti i materiali organici comunque disponibili
•
a causa dell’azione ossidante dell’atmosfera (che presenta un eccesso di
ossigeno) che tende ad ossidare le molecole organiche complesse non
completamente ossidate non consentendo loro una lunga sopravvivenza.
Condizioni atmosferiche primordiali
In passato, invece, è possibile che le condizioni ambientali sulla superficie
della Terra abbiano consentito la formazione di semplici composti organici
dalla materia inorganica.
L’atmosfera gassosa attorno alla Terra, al momento della sua formazione e
subito dopo, doveva contenere in grande prevalenza idrogeno ed elio, come la
nube gassosa da cui ha tratto origine.
Abbondanza relativa degli elementi nel cosmo
Elemento
ogni 10 6 atomi
g per tonnellata
Elemento
Ogni 106 atomi
g per tonnellata
H
839000
556000
Mg
42
680
He
159000
421000
Si
35
660
O
680
7210
S
12
250
Ne
640
8550
Ni
5
200
N
200
1860
Al
3
54
C
130
1030
Na
3
46
Fe
64
2370
Ca
2
53
Approccio sperimentale
•
Nel 1929 il biologo Heldane avanzò per la prima volta l’ipotesi di un’atmosfera
riducente caratterizzata dalla presenza di C, O e N e in eccesso di idrogeno (ed
elio) come la nube da cui si era originata per aggregazione di materia.
•
Questa ipotesi fu ripresa da Oparin, da H.Urey e da molti altri sperimentatori.
•
Nel 1952 il chimico americano Urey dimostra che in eccesso di H e di He le
forme più stabili in cui possono trovarsi il C, N e O erano rispettivamente CH4 ,
e NH3 e H2O (vapore).
•
L’atmosfera primitiva doveva pertanto essere un’atmosfera riducente,
costituita da CH4, NH3, H2O (vapore), e stabile dal punto di vista chimico.
Per saperne di più su
•
la composizione dell’atmosfera primitiva
•
i tipi di sostanze che si possono effettivamente formare in determinate
condizioni ambientali in funzione
–
–
•
•
del tipo di energia libera apportata dall’esterno
e della composizione dell’atmosfera
per controllare in modo diretto se e quali composti organici si possano formare
Approccio sperimentale
• Il primo esperimento in laboratorio, fu eseguito da Miller nel 1953.
Sintesi prebiotiche
Esperimento di Miller
•
•
•
Miller riprodusse l’ambiente primordiale
(oceano – atmosfera) in laboratorio e
simulò uno dei possibili fenomeni
naturali apportatori di energia al sistema
(le scariche elettriche dei temporali).
Una beuta contenente acqua (che
riproduceva l’idrosfera) comunicava
attraverso un tubo di vetro con
un’ampolla contenente una miscela
gassosa (che riproduceva l’atmosfera),
contenente CH4, NH3 e H2O allo stato
gassoso dovuto all’evaporazione
dell’acqua che veniva fatta bollire, che
veniva fatta attraversare da una scarica
elettrica che simulava le scariche
elettriche dei temporali.
Un refrigeratore dopo l’ampolla
permetteva la condensazione di eventuali
composti sintetizzati nell’ampolla e la
loro raccolta in una trappola.
Risultati esperimento di Miller
Principali prodotti ottenibili col metodo di Miller
Composto
resa %
moli*10^4
Acido formico
Glicina
resa %
moli*10^4
Acido alfa-ammino-n-butirrico
AA
Acido glicolico
Alanina
Composto
Acido alfa-idrossibutirrico
Acido succinico
AA
Urea
Acido lattico
Acido imminoacetico propionico
Beta-alanina
n-metil-urea
Acido acetico
n-metil-alanina
Acido propionico
Acido glutammico
AA
Acido imminodiacetico
Acido aspartico
AA
Sarcosina
Acido alfa-amminoisobutirrico
Alcune considerazioni sui risultati
ottenuti
Altri composti potrebbero essersi formati nella soluzione, e potrebbero
non essere stati considerati perché sintetizzati in tempi più lunghi:
• Sebbene la trappola permettesse di prelevare campioni del liquido in
qualunque momento, l’analisi dei risultati veniva fatta solo durante il
funzionamento del dispositivo o subito dopo.
• Pertanto gli effetti di eventuali reazioni che avvenivano in soluzione
molto lentamente, non potevano essere messi in evidenza.
• Pertanto il non aver trovato alcuni composti organici nei risultati
dell’esperimento di Miller non vuol dire che questi non potessero
formarsi spontaneamente nell’oceano.
Analisi risultati
Andamento delle concentrazioni dei prodotti nel corso di due settimane:
•
Aumenta la concentrazione degli
amino acidi;
•
Diminuisce la concentrazione di NH3;
•
HCN e Aldeide formica dapprima
crescono rapidamente, raggiungono
un valore costante e poi decrescono al
decrescere della concentrazione
dell’ammoniaca.
•
HCN e Aldeide formica sono due
prodotti intermedi: all’inizio utilizzano
NH3 e aumentano, poi si trasformano
in qualcos’altro e quindi la loro
concentrazione diminuisce
HCN
Aldeide formica
Formazione di zuccheri da aldeide formica:
•
L’ALDEIDE FORMICA si condenserebbe (con 6 delle sue molecole) in esoso (6 atomi di C), cioè
glucosio, e (con 5 molecole) in pentoso (5 atomi di C) cioè riboso o deossiriboso:
•
•
•
dimerizzazione
dimerizzazione
HCHO
Formaldeide
•
•
Ciclo della Formosa
HOCH2-CH
Glicolaldeide
HOCH2-CHOH-CO-CH2OH
Tetroso (zucchero con 4 atomi di C)
pentoso (riboso) e all’esoso (6 atomi di C)
Altri esperimenti
•
Dopo di lui molti altri ricercatori hanno fatto esperimenti come quello
di Miller, cambiando la composizione, utilizzando diverse sorgenti di
energia ottenendo risultati qualitativamente concordanti, con
produzione di una gran quantità di HCN, tutti i principali aminoacidi
naturali e alcuni precursori del DNA, primo tra i quali l’adenina.
•
si può pertanto ritenere dimostrato che, in condizioni di
atmosfera riducente , contenente solo H2, CH4, NH3, H2O
(vapore), a cui viene fornita energia libera che permetta delle
ionizzazioni, si produce a partire da essa, nel liquido di
raccolta, una grande varietà di specie molecolari diverse.
HCN e ALDEIDE FORMICA
Ciclo di Calvin
Ambiente favorevole alla
polimerizzazione
L’Oceano primitivo
Circa 4.5 miliardi di anni fa quando la crosta terrestre si era ormai
raffreddata al punto da permettere la condensazione del vapore acqueo, si
formarono gli oceani.
Nell’oceano primitivo le molecole non gassose via via sintetizzate
nell’atmosfera potevano accumularsi, rimescolarsi continuamente, venire a
contatto e reagire chimicamente ed erano protette dalle radiazioni
ultraviolette.
La temperatura superficiale della Terra almeno negli ultimi 3 o 4 miliardi di
anni non deve essere sensibilmente variata poiché i processi responsabili
della temperatura sono rimasti pressocchè costanti:
1.
2.
3.
Radiazione solare
Calore proveniente dall’interno della Terra
Radioattività
™
Effetto serra
Non si sa ancora spiegare
l’alternarsi delle glaciazioni con
periodi di temperature tropicali,
tra il circolo polare e i tropici, data
la sorprendente efficacia
dell’effetto serra;
Si trattava di eventi locali: non
hanno contribuito a far variare
sostanzialmente la temperatura
•
Il geochimico Jeffrey L. Bada
suggerisce che l’oceano fosse
ghiacciato solo superficialmente,
in base ad un semplice modello
unidimensionale del flusso di
calore del fondo oceanico:
X(cm) = k( T ocean water – T ice surface )µ -1
µ flusso di calore attraverso la crosta oceanica
(8 ×10-6 J cm-2 sec -1)
K conducibilità termica del ghiaccio
(2×10-2 J sec-1cm-1°C-1)
•
Ciò potrebbe aver favorito
processi biochimici, cioè la
formazione di molecole organiche
in un gradiente di temperatura
favorevole.
T ice surface = - 40 °C
T ocean water= - 2 °C, dà uno spessore di circa 1 km.
Nella Terra primitiva il flusso del calore è stimato di
~ 3 ± 1 volte maggiore del valore attuale, il che dà
uno spessore di 300 ± 100 m.
Possibili ulteriori siti di origine della vita
•
Pozze di acqua bassa localizzate in zone avvallate in prossimità
dei vulcani, dovute all’evaporazione per le alte temperature delle
eruzioni vulcaniche e alla bassa marea
•Hydrothermal vents
Altri possibili siti per la sintesi
prebiotica
Teoria esobiologica
•
I primi composti organici semplici possono essersi formati nello spazio per interazione dei raggi cosmici
o solari con la polvere interstellare (effetto fotoelettrico), che potrebbero essere state portati sulla Terra
da meteoriti, asteroidi e comete, a seguito del loro impatto con la Terra.
È una ipotesi possibile dimostrata dal ritrovamento di composti organici nelle condriti carbonacee. *
Tabella
Condrite: classe di meteoriti con composizione chimica simile a quella del Sole. Contengono condruli,
(granuli tondi di silicati).
Condriti carbonacee: classe di meteoriti che contengono condruli imbedded in un materiale con una larga
percentuale di Carbonio (4%)