Ipotesi sulla origine della vita dove ? Quando ? Come ? Origine delle molecole necessarie per ottenere un essere vivente la scienza offre ipotesi , esperimenti , plausibili Meccanismo capace di assemblare le molecole in un essere vivente con membrana, disponibilità enzimatiche, riproducibilità la scienza non presenta ancora risposte definitive

Considerazione su alcune ipotesi e linee di ricerca scientifica per cercare di trovare una soluzione a vari interrogativi sul fenomeno definito “vita, vivente”, caratterizzato da alcune proprietà specifiche: capacità di riprodurre copie individuali con grande precisione capacità di crescere, svilupparsi da singole cellule a organismi complessi capacità di utilizzare energia nelle varie forme (solare, chimica, termica..) capacità di reagire alle variazioni ambientali e di adeguarsi ai cambiamenti Crescita > sviluppo Mutazione > evoluzione piante Animali-piante sole fotosintesi respirazione CO2+H2O > C6H12O6+O2 C6H12O6 + O2 > CO2+H2O+ATP

Domande alle quali la ricerca scientifica non può dare (e probabilmente non potrà mai dare in modo definitivo) risposta riguardanti la realtà che definiamo vita, vivente: Quando è comparsa la vita ? Dove è comparsa ? Come la materia da inanimata ha acquistato le caratteristiche della vita ? Si può ritenere che la vita, le molecole necessarie per costruire l’essere vivente sulla terra, sia comparsa almeno 4 miliardi di anni fa secondo attendibili informazioni scientifiche circa 500 milioni dopo la formazione della terra: potrebbe essere comparsa molto tempo prima, in altra parte del nostro universo ( in altri pianeti, nella nebulosa all’origine del sistema solare..) ed essere stata trasportata sulla terra inglobata in comete, meteoriti..

Si può ritenere che la vita, le molecole necessarie per costruire l’essere vivente sulla terra, sia comparsa almeno 4 miliardi di anni fa: circa 500 milioni dopo la formazione della terra: potrebbe essere comparsa molto tempo prima, in altra parte del nostro universo ( in altri pianeti, nella nebulosa all’origine del sistema solare..) ed essere stata trasportata sulla terra inglobata in comete, meteoriti.. 4 miliardi di anni fa:

La ipotesi della “panspemia” fondata anche sulla scoperta della esistenza di molecole organiche nelle nubi molecolari presenti nella galassia induce a pensare che la vita sia possibile anche in altri luoghi, oltre che nel pianeta terra: forse, almeno alcune molecole preformate altrove (e quindi forse con molto tempo a disposizione, necessario per la sintesi casuale) sarebbero giunte sulla terra e avrebbero fornito del materiale per il passaggio da sostanze inanimate ai primi esseri viventi. (sembra che le temperature presenti all’interno dei meteoriti che avrebbero trasportato le molecole e i raggi cosmici presenti nello spazio siano compatibili con la stabilità delle molecole) Il problema tuttavia, qualunque sia il luogo o il tempo ove la vita sia comparsa permane: come è avvenuto il passaggio da inanimato a vivente?

Alcune informazioni attendibili provenienti da ricerca geologica: Alcune informazioni attendibili provenienti da ricerca geologica: *la terra si sarebbe formata mediante aggregazione di particelle e gas presenti nella nebulosa all’origine del sistema solare ** la atmosfera primitiva ricca di gas idrogeno, elio, neon sarebbe stata dispersa per la debole gravità terrestre e sostituita da altri gas più pesanti provenienti dalle eruzioni vulcaniche (H, O, N, C, Cl, S …) che avrebbero permesso la sintesi di H2O, CO2, SO2, HCl, N2 *** la condensazione del vapore avrebbe originato un vasto oceano ricoprente tutta la superficie della terra **** la tettonica a zolle avrebbe richiamato molta acqua all’interno della massa solida permettendo la emersione di masse rocciose e la formazione di ambienti adeguati alla comparsa della vita ***** la temperatura , piuttosto elevata, dovuta alla radiazione solare, radioattività, calore interno e vulcanesimo, non avrebbe subito particolari variazioni nel primi 3-4 miliardi di anni

La geologia e paleontologia forniscono informazioni sulle più antiche tracce di presenza di attività dovute ad esseri viventi insieme a fossili * Organismi fossilizzati conservati in selci, areniti, argilliti * stromatoliti: strutture con composizione mista, inorganica e organica * fossili molecolari:riferibili ad attività metabolica di esseri viventi Australia, 3.5 miliardi di anni fa, strutture sferoidali (simil alghe ?) Africa australe, 3.2 miliardi di anni fa, strutture sferoidali, stromatoliti, porfirine Rhodesia , 2.7 miliardi di anni fa, stromatoliti algali, molecole simi a clorofilla Canadà, 1.7 miliardi di anni fa, simili a batteri, alghe,che avrebbero immesso nell’atmosfera, mediante fotosintesi, ossigeno che avrebbe reagito trasformando ossido ferroso in ossido ferrico Australia, 1 miliardo di anni fa, prime cellule eucariote con cromosomi Australia, 600 milioni di anni fa, fauna di Ediacara(anellidi,artropodi..)

Conclusioni e presentazione ipotesi varie Sulla terra, la evoluzione prebiologica, chimica, sarebbe avvenuta tra 4.5 e 3.2 miliardi di anni fa (resti di primi fossili molecolari rapportabili alla attività di esseri viventi i primi resti sicuri di esseri viventi risalgono a 2.7 miliardi di anni fa ambiente disponibile perché attraverso processi chimico-fisici potessero essere sintetizzate molecole disponibili per la comparsa della vita: oceano con H2O e Sali vari in soluzione atmosfera con gas derivati da emissione vulcaniche : H, C, S, N, Cl, H2O, CO2, SO2, N2 e altri assente ossigeno libero (compare per effetto di fotosintesi, 2.7 miliardi di anni fa; raggiunge 1 % dell’attuale , circa 1.9 miliardi di anni fa) (assenza di ozonosfera schermante :manca O3) Energia solare, radiazione ultravioletta, calore endogeno, radioattività

L’essere vivente, come lo conosciamo attualmente, deriva sempre da precedente essere vivente Le molecole e strutture presenti nel vivente esigono sempre l’intervento di processi chimico-fisici fortemente dipendenti dalle condizioni ambientali (endogene ed esogene) e la presenza di biocatalizzatori Esiste un particolare codice , quasi universale, che collega gli amminoacidi, monomeri necessari per produrre proteine, con monomeri nucleotidici, che sono assemblati nel DNA presente nei cromosomi, portatore dei caratteri tipici della specie con varianti per i singoli individui, responsabile della trasmissione ereditaria all’interno della specie: mutazioni nel codice possono essere la base per la selezione che porta alla evoluzione nel tempo Da vivente a vivente Da non vita a vivente

Acqua, gas( N2, CO2, CH4, NH4OH) minerali Considerazioni su alcune ipotesi e linee di ricerca per tentare di trovare un probabile meccanismo che potrebbe aver condotto al risultato di ottenere il passaggio da non vita a vita. La materia disponibile si trovava negli oceani, nella atmosfera, nelle rocce (con composizioni relativamente note e diverse da quelle attuali) Acqua, gas( N2, CO2, CH4, NH4OH) minerali Sintesi si semplici molecole contenenti C con potere di autoreplicazione: composti con C : metano CH4 e CO2 Composti complessi, glucidi, lipidi, protidi: polimerizzati, assembrabili in membrane, strutture complesse:necessario un ambiente protetto e adatto alle reazioni di sintesi e alla conservazione dei prodotti

CO2 CH4 H2O N2 Molecole complesse NH4OH C6H12O6 Molecole semplici Glucidi, lipidi, protidi..

Ipotesi di Oparin-Haldane (1920-1930) Oceano con H2O, Sali vari in soluzione atmosfera (senza ossigeno) con CO2, CO, N2, H, He, H2O energia solare, radioattività, termica, scariche elettriche sintesi abiologica di molecole organiche Possibilità di sintetizzare semplici molecole organiche che si sarebbero concentrate nei mari, laghi del pianeta, (brodo primordiale) restando anche inglobate in argille mediante evaporazione

I raggi ultravioletti (non schermati ancora dalla ozonosfera con O3) potevano disgregare rapidamente le eventuali molecole più complesse che si fossero originate da quelle più semplici

Esperimento 1953 (Miller-Chicago) e sintesi indotta utilizzando presunti componenti della atmosfera primitiva e sottoponendoli a scariche elettriche( fulmini dei temporali …): Dimostrazione della possibilità di ottenere composti del carbonio anche complessi (amminoacidi) componenti essenziali di proteine e altre composti tipici dei viventi: ma non dimostra come possano poi assemblarsi in molecole complesse (proteine, acidi nucleici..) amminoacidi CH4 , NH3, H2O, CO2, gas vari amminoacido H2O R | H-N -C – C – OH | | || H H O

Esperimento di Stanley Miller , 1953, Chicago (allievo di Urey) Oceano riscaldato > H2O ..assorbe gas introdotti > scariche elettriche > sintesi molecole organiche > refrigerazione > filtrazione e raccolta composti organici sintetizzati: in circa 24 ore Scariche elettriche gas Atmosfera H, H2O, CH4, NH3 refrigerazione calore H2O Oceano… Amminoacidi-composti organici

Esperimento di Sidney W Esperimento di Sidney W.Fox (anni sessanta) ottiene sintesi di macromolecole in soluzioni contenenti monomeri. come amminoacidi, se posti a contatto con particelle di sabbia o argilla calde con evaporazione del solvente Altri esperimenti simili con variazione di componenti e condizioni ambientali hanno portato alla sintesi di vari amminoacidi diversi e dei nucleotidi, componenti fondamentali degli acidi nucleici DNA, RNA Tutti questi esperimenti hanno dimostrato la possibilità di ottenere molecole organiche per via abiologica:non dimostrano che sia avvenuto in natura così

Ipotesi per giustificare la sintesi di molecole complesse utilizzando molecole semplici disponibili: necessario un ambiente protetto, che permetta la concentrazione e conservazione delle molecole sintetizzate Le molecole organiche galleggianti nell’oceano primitivo si sarebbero raccolte in pozze basse di marea lungo le coste rocciose e mediante ripetute evaporazioni si sarebbero concentrate Altra ipotesi: le molecole si sarebbero raccolte in ambienti molto piccoli : cavità nelle pomici , bollose, vulcaniche; in feldspati e altri minerali dotati di fessure microscopiche superficiali: nel tempo (lungo), il “caso”, avrebbe prodotto molecole del tipo “viventi”..

Altra ipotesi: la esigenza di ambienti protetti presumeva che le molecole originarie “viventi” fossero molto fragili, facilmente degradabili: originate alla superficie del mare in presenza di energia solare Nel 1977 la scoperta di ecosistemi molto diversificati alle grandi profondità oceaniche e in prossimità di sorgenti molto calde portò alla ipotesi che le reazioni necessarie per portare alle molecole tipiche del vivente potessero verificarsi anche in assenza della energia solare (usando quella termica) proveniente dalle bocche idrotermali del fondale oceanico:alte temperature e alte pressioni. Sorgenti idrotermali ed ecosistemi

Difficoltà per origine idrotermale perchè gli amminoacidi, come altre molecole complesse, sono molto instabili se riscaldati Superata da esperimento (1998 Texas): la leucina, posta in soluzione a 200°C e sotto pressione, si degrada rapidamente Posta in presenza anche di solfuro di ferro (comune nelle sorgenti idrotermali) si mantiene stabile per vari giorni: tempo sufficiente per legarsi ad altre molecole Risolto in parte il problema della concentrazione…ma rimangono sospese, disperse, in acqua: serve un meccanismo che le porti vicine, a contato, per interagire e formare legami stabili

la presenza di minerali fornisce Osservazioni, intuizione, portano a proporre delle ipotesi, possibilmente rapidamente e facilmente verificabili per definire l’importanza dei minerali nei processidi sintesi abiologica Ipotesi che valorizza l’intervento di minerali nella sintesi abiologica la presenza di minerali fornisce una nicchia di protezione e supporto per le molecole superficie che favorisce l’assemblaggio di molecole mantenute vicine i minerali possono mediante proprietà superficiali selezionare in funzione della forma , della carica elettrica le molecole presenti in soluzione possono catalizzare reazioni tra molecole alcuni elementi vengono inclusi negli enzimi(biocatalizzatori) oggi noti

Esperimenti che verificano le capacità dei minerali di favorire la sintesi abiologica di proteine, RNA, e altre molecole complesse Amminoacidi in soluzione rimangono separati se posti in presenza di argillite(porosa) vi aderiscono, interagiscono, danno origine a polipeptidi, protidi..in presenza di evaporazione

Esempio:gli amminoacidi attuali componenti le proteine appartengono tutti alla forma isomerica levogira L: la forma destrogira D non partecipa alla composizione delle proteine, non si trova in natura, ma viene prodotta insieme alla forma L negli esperimenti simili a quello di Miller Deve esistere un sistema che è stato in grado di selezionare dalla miscela iniziale mista con forme L e D , solo la forma L Si conosce che vari gusci di molluschi presentano la struttura della calcite con legati degli amminoacidi : forse la calcite posiede la capacità di selezionare le due forme ? La calcite, come altri minerali, presenta facce con superfici specularmente uguali Immergendo un blocco di calcite in una miscela di amminoacidi L, D in parti uguali ed estraendolo dopo 24 e lavandolo, si potevano poi raccogliere gli amminoacidi che avevano aderito a facce specularmente opposte affini alle forme L o D degli amminoacidi

Superficie del cristallo con siti complementari per isomero L Isomero L selezionato su una faccia del cristallo isomero D selezionato su faccia speculare del cristallo Isomeri ottici, speculari, forma L e forma D

Si nota che le facce “gradinate” hanno un effetto selettivo più efficace forse gli amminoacidi legati in tali regioni si trovano nella condizione di potersi più facilmente legare in catene ordinate L o D di amminoacidi Catena con amminoacidi forma D Catena con amminoacidi forma L Probabilmente nel passato , casualmente, è stata selezionata prima la catena L che si è poi imposta nella utilizzazione successiva della sintesi abiologica di protidi….??

Funzione di catalizzatori per produrre NH3 come nel processo industriale idrogeno + azoto + catalizzatore >>> ammoniaca Esperimento in ambiente simile a quello delle sorgenti idrotermali: temperatura e pressione elevata idrogeno + azoto + magnetite >>> ammoniaca Magnetite :ossido di ferro

Ipotesi: possono i minerali sostituire in parte la presenza degli enzimi nel catalizzare le reazioni chimiche ? Esperimenti con ambiente simile a quello delle sorgenti idrotermali: 2000 atmosfere, 250 °C (reattore in acciaio) reagenti in piccole capsule d’oro, sigillate (anche 6 per volta) introdotte nel reattore: Minerali: solfuri, ossidi, di ferro, rame, zinco reagenti : CO2 + H2 CO2 + H2 > CH4 …+ CO2 + H2 > CH3-_CH3 …+ CO2 + H2 > CH3-CH2-CH3 Simile processo tipo industriale Fischer-Tropsch (catene con 30 C in 24 ore) Minerali: solfuri di nichel, cobalto reagenti :CO, H2O, tiolo…..> gruppo carbonile =CO il carbonile si lega a NI, Co debolmente e può legare altre molecole formando catene anche con 10 C Reazioni che probabilmente avvengono oggi presso le sorgenti idrotermali e che possono essersi verificate anche nei tempi trascorsi

Nelle capsule usate nell’esperimento precedente comparivano anche zolfo, solfuri organici, metiltiolo e altri composti dello zolfo ,che doveva essere stato liberato dal solfuro di ferro sono apparsi anche complessi formati dal ferro circondato da molecole organiche Possibile attività simil-enzimatica ? Ricordiamo che molti enzimi e molecole complesse contengono al loro interno atomi di metalli vari emoglobina Fe, clorofilla Mg Clorofilla con Mg Emoglobina con 4 atomi di Fe

Concludendo possiamo ammettere che la comparsa della vita , sulla terra, è stata preceduta da una lunga, problematica, evoluzione chimica (nella nebulosa, oceani, sorgenti idrotermali) che ha fornito i costituenti più semplici necessari alla sintesi delle molecole più complesse, tipiche della vita: i minerali avrebbero contribuito a fornire ambiente, substrato, meccanismo selettivo, catalizzatore per dare origine ai primi sistemi molecolari autoreplicanti: dalla evoluzione selettiva di tali sistemi si sarebbe giunti alle prime forme di vera vita…(???) Descrizione che si avvale anche della lettura di un articolo sulla rivista Le Scienze, aprile 2001