Origine della vita sulla Terra

Generazione spontanea Aristotele (384 a.C - 322 a.C) 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.

Esperimento di Francesco Redi Firenze, 1668

Esperimento di L. Spallanzani Modena, 1760

Esperimento di Pasteur

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 Ogni 106 atomi H 839000 556000 Mg 42 680 He 159000 421000 Si 35 660 O 7210 S 12 250 Ne 640 8550 Ni 5 200 N 1860 Al 3 54 C 130 1030 Na 46 Fe 64 2370 Ca 2 53

Atmosfera primordiale (riducente) metano biossido di carbonio ammoniaca idrogeno azoto vapor acqueo

Origine del sistema solare e della Terra Paleozoico Mesozoico Cenozoico Specie umana Piante terrestri Animali Eucarioti pluricellulari unicellulari Origine del sistema solare e della Terra 1 2 4 3 Miliardi di anni fa Accumulo di ossigeno nell’atmosfera Procarioti

IL BRODO PRIMORDIALE Agli inizi de XX° secolo A.I. Oparin, biochimico russo, propone un nuovo tipo di generazione spontanea, non come atto di creazione ma bensì dell'inevitabile, benchè casuale aggregazione di molecole inorganiche in una atmosfera primordiale assai diversa da quella attuale. L’atmosfera primordiale era ricca di metano,ammoniaca, acqua, composti che reagivano facilmente tra loro sotto l’azione del calore terrestre, dei fulmini, degli ultravioletti della radiazione solare non ancora schermata, come avviene oggi, dalla fascia di ozono. Dalle reazioni si formavano composti del carbonio come formaldeide, urea, amminoacidi che venivano trasportate dalle piogge nei mari andando a costituire il così detto "brodo caldo primigenio" .

Coacervati In questa soluzione calda alcune molecole avevano una tendenza ad associarsi in complessi più grandi. In milioni di anni, questi aggregati, a loro volta, si associarono tra loro generando spontaneamente dei coacervati, che rappresentavano, secondo Oparin ,i costituenti fondamentali dei primi organismi viventi.

Approccio sperimentale Nel 1953 Stanley Miller condusse uno storico esperimento. Questo tendeva a simulare le condizioni ambientali nella atmosfera primordiale.

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 Composto resa % Acido formico Acido alfa-ammino-n-butirrico Glicina AA Acido alfa-idrossibutirrico Acido glicolico Acido succinico Alanina 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

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 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.

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: Radiazione solare Calore proveniente dall’interno della Terra Radioattività Effetto serra

Polimerizzazione dell’RNA L’evento decisivo per la comparsa della vita va ricercato nella formazione di acido ribonucleico in grado di catalizzare la propria duplicazione.

Il primo materiale genetico e i primi enzimi potrebbero essere stati costituiti da RNA Un’ipotesi condivisa è che i primi geni fossero brevi filamenti di RNA che si autoduplicavano senza l’intervento di proteine, forse su superfici argillose. G A C U 1 2 Formazione di semplici «geni», costituiti da brevi polimeri di RNA Assemblaggio di una catena di RNA complementare, il primo passo della duplicazione del gene originale Monomeri

Il mondo a RNA

La comparsa delle prime cellule fu probabilmente preceduta da aggregati molecolari avvolti da membrane Autoduplicazione dell’RNA Il duplicato serve da stampo per formare un polipeptide. Il polipeptide agisce come un primitivo enzima che favorisce la duplicazione dell’RNA RNA Polipeptide La più antica forma di cooperazione molecolare in cui semplici geni a RNA venivano tradotti in proteine senza l’intervento di altre strutture.

Semplici membrane potrebbero aver protetto questi aggregati molecolari formati da RNA e polipeptidi, su cui la selezione naturale avrebbe agito favorendo un grado via via maggiore di cooperazione molecolare che avrebbe poi dato origine alle prime cellule procariotiche. LM 650 Membrana Polipeptide RNA

Microsfere proteinoidi S. W.Fox e K. Harada hanno scoperto successivamente che è possibile polimerizzare termicamente le molecole di amminoacidi; essi sono riusciti ad ottenere dei polimeri contenenti 18 amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine. Tali polimeri venivano circondate da membrane formando strutture dette microsfere proteinoidi. Le quali possono svolgere alcune reazioni chimiche analoghe a quelle delle cellule.

Possibili ulteriori siti di origine della vita Un’altra recente ipotesi è che la vita si sia originata negli abissi marini con una particolare e peculiare localizzazione : a contatto di sorgenti idrotermali formate da afflussi di acqua caldissima (con temperature anche superiori ai 100° C), provenienti dal contatto con gli strati sottostanti ancora fluidi. Le alte temperature avrebbero favorito la polimerizzazione delle molecole organiche e lo svolgersi delle prime reazioni metaboliche

Teoria esobiologica la vita è stata “seminata” da meteoriti (panspermia) 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 meteoriti.

Asteroidi, Meteoriti e Comete

Tre passi fondamentali origine delle prime cellule comparsa dell’ossigeno nell’atmosfera origine della cellula eucariotica

ORIGINE DELLE PRIME CELLULE L’avvento dei primi esseri viventi segnò la fine dell’era della selezione chimica e l’inizio di quella della selezione naturale. Purtroppo non ci sono molte tracce fossili delle prime cellule

STROMATOLITI Ammassi (anche fossili) di procarioti (cianobatteri) anaerobici, foto- o chemiosintetizanti

Polipeptidi torna