L’ origine della vita sulla Terra

passato e presente di una ricerca

ISOF (CNR) – Bologna S3 (INFM/CNR) - ModenaAnna 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…

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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” 1859Vi 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 1871Ma 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.

Charles Darwin (1809-1882)

Aleksandr Oparin (1894-1980)

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

transition to life

biologicalevolution

first cell *

ORIGIN OF EARTH

- 3.5 billion years

- 4.5 billion years

" molecular evolution "

- 3.9 billion years

eldest rocks

Credit: P.L. Luisi

Fosfolipidi lipidi

Acidi nucleici (DNA, RNA) polinucleotidi

Proteine (enzimi) poliamminoacidi

Cellule odierne

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)

Leslie Orgel Francis Crick Carl Woese (Walter Gilbert)

Sintesi prebiotica di ribosio (RNA) più facile di quella di desossiribosio (DNA), etc…

Nel 1982 scoperti RNA che agiscono come enzimi

Simulazioni: sulle orme di Stanley Miller e di Joan Orò

J. D. Sutherland (2007,2009)

“atmosfere primitive” con diverse composizioni esempio: anidride carbonica, azoto, acqua con carbonato di calcio ottenuti amminoacidi con rese comparabili a quelle di Miller

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mononucleotide

Sintesi di monomeri

…..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

------- oligoadenilato

(anche oligoguanilato)

James Ferris 1996

Ernesto Di Mauro e coll. 2000-9

fino a 100mer

Possibili membrane di cellule primitive

*(Pier Luigi Luisi)

(Louis Allamandola)

da “estratti” di meteoriti e da ghiacci interstellari simulati

acido oleico

Crescita e “replicazione” di liposomi e vescicole

*(David Deamer)

liposoma vescicola

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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

credit P.L. Luisi

Szostak, Bartel, Luisi Nature 2001

sintesi su stampo di un segmento di acido nucleico all’interno di una protocellula modello

--monomeri aggiunti all’esterno delle vescicole --senza enzimi

Jack Szostak e al., 2008

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

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.

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

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