Origine della vita sulla Terra

Presentazione sul tema: "Origine della vita sulla Terra"— Transcript della presentazione:

1 Origine della vita sulla Terra
Sintesi prebiotiche sulla superficie della Terra

2 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.

3 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.

4 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

5 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.

6 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.

7 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

8 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.

9 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

10 HCN

11 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: Ciclo della Formosa HCHO HOCH2-CH HOCH2-CHOH-CO-CH2OH pentoso (riboso) e all’esoso (6 atomi di C) dimerizzazione dimerizzazione Formaldeide Glicolaldeide Tetroso (zucchero con 4 atomi di C)

12 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.

13 HCN e ALDEIDE FORMICA Ciclo di Calvin

14 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

15 X(cm) = k( T ocean water – T ice surface )μ -1
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: Ciò potrebbe aver favorito processi biochimici, cioè la formazione di molecole organiche in un gradiente di temperatura favorevole. 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) 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.

16 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

17 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%)