L’ origine della vita sulla Terra passato e presente di una ricerca ISOF (CNR) – Bologna S3 (INFM/CNR) - Modena Anna Garbesi

Si è spesso affermato che sono presenti ora tutte le condizioni per la generazione spontanea di un organismo vivente, quali possono essere state presenti nel passato. Ma anche se (e quale grosso se!) noi potessimo oggi concepire che in qualche piccolo stagno, in presenza di ogni sorta di sali di ammonio e fosforo, di luce, calore, elettricità, eccetera eccetera, si sia venuto a formare un composto proteico, pronto a subire ulteriori più complesse trasformazioni, al giorno d’oggi tale materiale verrebbe immediatamente divorato o assorbito, il chè non sarebbe potuto accadere prima che esseri viventi facessero la loro comparsa. Charles Darwin 1871 (lettera a Joseph Hooker )

Europa - XVII secolo generazione spontanea Gli organismi viventi nascono da altri a loro simili, creati inizialmente da Dio (Genesi), ma i viventi inferiori (dai topi in giù) possono anche formarsi da fango, materiale in putrefazione…

J.-B. van Helmont “Ortus medicinae…” 1667 topi da panni sporchi di sudore e chicchi di grano F. Redi “Esperienze intorno alla generazione degli insetti” 1668 mosche da anguillette d’Arno, taglio di vitella etc.…?

Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) inventa il microscopio Fino a 300 ingrandimenti “animalculae”

Microorganismi da brodo di carne o infusioni di erbe ? John Needham (1713-1781) Sì particelle formative + forza vegetativa Lazzaro Spallanzani (1729-1799) No se bolli un’ora e sigilli bene

Il dibattito continua e si conclude Felix Pouchet (1800-1872), nel 1858 esperimenti con infusioni di fieno: si formano microorganismi Louis Pasteur (1829-1895), ripete gli esperimenti e nel 1862: dimostra che non si formano, se………

“L’origine delle specie” 1859 Charles Darwin (1809-1882) “L’origine delle specie” 1859 Vi è qualcosa di grandioso in questa concezione della vita, con i suoi diversi poteri impressi (dal Creatore) in poche forme, in una forma sola; e nel fatto che,……….,da un così semplice inizio innumerevoli forme, bellissime e meravigliose, si sono evolute e continuano ad evolversi. Lettera a un amico 1871 Ma anche se (e quale grosso se!) noi potessimo concepire che in qualche piccolo stagno, in presenza di ogni sorta di sali di ammonio e di fosforo, di luce, calore, elettricità, etc…,si sia venuto a formare un composto proteico, pronto a subire ulteriori più complesse trasformazioni, al giorno d’oggi tale materiale verrebbe immediatamente divorato o assorbito, il che non sarebbe potuto accadere prima che esseri viventi facessero la loro comparsa.

Aleksandr Oparin (1894-1980) John Haldane (1892-1964) Una lunga evoluzione chimica della materia, dai composti semplici presenti inizialmente, ha portato ai composti organici e quindi ai viventi primitivi (prima pubblicazione 1924, trad. inglese 1938) John Haldane (1892-1964) -Nell’atmosfera primitiva sintesi di piccole molecole organiche -brodo (zuppa) primordiale nel quale si formano molecole più complesse -da assemblaggio casuale la prima cellula (breve articolo 1929)

Il problema dell’origine della vita, come transizione dal non vivente al vivente, diventa un aspetto del processo evolutivo generale della Terra -ciò che sappiamo e possiamo inferire sulla Terra primitiva -ciò che sappiamo sugli organismi viventi si automantiene vivente si riproduce è capace di “mutare”

Esperimento di Stanley Miller 1953 simulazione sistema atmosfera/”oceano”sulla Terra primitiva Dopo una settimana: numerosi composti organici, tra i quali alcuni amminoacidi Glicina Alanina

Esperimento di Joan Orò 1960 Formazione di adenina da cianuro di ammonio in acqua a 90° C, per qualche giorno (simulazione)

Inizio di programma sperimentale il vivente dal non vivente non è un fatto (non è stato dimostrato) è una ipotesi di ricerca (da sostanziare con esperimenti, scoperte osservative e “sensati” ragionamenti)

Credit: P.L. Luisi

Credit: P.L. Luisi

Cellule odierne Acidi nucleici (DNA, RNA) polinucleotidi Fosfolipidi lipidi Proteine (enzimi) poliamminoacidi

Ipotesi per cellula primitiva : Oggi per sintesi e “attività” di Acidi nucleici (DNA e RNA) necessarie proteine (enzimi) Ipotesi per cellula primitiva : un solo acido nucleico capace di funzionare anche come enzima “Mondo a RNA” (1968) Sintesi prebiotica di ribosio (RNA) più facile di quella di desossiribosio (DNA), etc… Leslie Orgel Francis Crick Carl Woese (Walter Gilbert) Nel 1982 scoperti RNA che agiscono come enzimi

Simulazioni: sulle orme di Stanley Miller e di Joan Orò Sintesi di monomeri “atmosfere primitive” con diverse composizioni esempio: anidride carbonica, azoto, acqua con carbonato di calcio ottenuti amminoacidi con rese comparabili a quelle di Miller ---------------------------------------------------------------------- mononucleotide J. D. Sutherland (2007,2009)

…..anche dallo spazio……. Meteorite di Murchinson (circa 4,6 miliardi di anni) Contiene amminoacidi, acidi carbossilici, purine e pirimidine, idrocarburi, polioli

Simulazioni : oligomeri da monomeri James Ferris 1996 Ernesto Di Mauro e coll. 2000-9 ------- oligoadenilato (anche oligoguanilato) fino a 100mer

-------------------------------------------- Possibili membrane di cellule primitive (Louis Allamandola) da “estratti” di meteoriti e da ghiacci interstellari simulati *(David Deamer) *(Pier Luigi Luisi) liposoma vescicola acido oleico -------------------------------------------- Crescita e “replicazione” di liposomi e vescicole

Vittorio Somenzi 1969 …….esistono solo dei “sistemi viventi”, nessuna molecola o sostanza estratta dai quali possiede, di per sé, le proprietà caratteristiche della vita. Queste proprietà “emergono” solo da una una determinata organizzazione di sostanze chimicamente ben definibili che, in linea di principio, potrebbero domani essere sostituite da altre, naturali o sintetiche, che l’uomo sapesse organizzare in modo tale da dar luogo alla comparsa di proprietà equivalenti…………

concetto di cellula primitiva (cellula “minima”) ha il numero minimo e sufficiente di componenti per essere un “ vivente “ si automantiene “ vivente “ si riproduce è capace di mutare Szostak, Bartel, Luisi Nature 2001 credit P.L. Luisi

sintesi su stampo di un segmento di acido nucleico all’interno di una protocellula modello Jack Szostak e al., 2008 --monomeri aggiunti all’esterno delle vescicole --senza enzimi

Sintesi di una proteina entro un liposoma di 200 nm di diametro 83 macromolecole + i monomeri “intrappolate” in liposomi Teresa Pereira de Souza, Pasquale Stano, Pier Luigi Luisi 2009

Aleksandr Oparin (anni ’30) Ci sta di fronte l’enorme compito di indagare il processo evolutivo nei suoi singoli stadi..la strada è difficile e lunga.. Una costruzione artificiale, una sintesi di esseri viventi, appare una meta lontana, ma raggiungibile Antonio Lazcano (oggi) Le attuali tendenze scientifiche in questo campo non sono orientate necessariamente verso la produzione di un sistema vivente in vitro, ma piuttosto verso la costruzione di una narrazione storica coerente che intrecci una grande varietà di scoperte osservative e di risultati sperimentali Albert Eschenmoser (oggi) Lo scopo del nostro lavoro non è scoprire come, esattamente, la vita si creò sulla Terra, perché non lo sapremo mai, ma di concepire e realizzare dei percorsi che mostrano che dalla materia inanimata può originarsi un vivente.

Mario Ageno “Dal non vivente al vivente” Ed. Theoria 1991 Antonio Lazcano “La comparsa della vita nell’universo” in MicroMega Almanacco di scienze – febbraio 2009 Pier Luigi Luisi “The emergence of life” Cambridge U.P. 2006 Iris Fry “L’origine della vita sulla Terra” Garzanti 2002 Christian de Duve “Alle origini della vita” Longanesi 2008 Albert Eschenmoser “The search for the chemistry of life’s origin” Tetrahedron, pp.12821-44 2007 A. Ricardo, J. Szostak “L’origine della vita” Le Scienze Nov. 2009 Aleksandr I. Oparin “L’origine della vita sulla Terra” Einaudi 1956