Origine della vita sulla TerraOrigine della vita sulla Terra

•Sintesi prebiotiche sulla superficie Sintesi prebiotiche sulla superficie della Terradella Terra

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.

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.

Nelle condizioni attuali la vita non può originarsi dalla materia inorganica

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 Elemento Ogni 106 atomi g per tonnellata

H 839000 556000 Mg 42 680

He 159000 421000 Si 35 660

O 680 7210 S 12 250

Ne 640 8550 Ni 5 200

N 200 1860 Al 3 54

C 130 1030 Na 3 46

Fe 64 2370 Ca 2 53

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.

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

Composto resa % moli*10^4

Composto resa % moli*10^4

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

Principali prodotti ottenibili col metodo di Miller

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.

Analisi risultati

• 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

Andamento delle concentrazioni dei prodotti nel corso di due settimane:

HCN

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 Tetroso (zucchero con 4 atomi di C)Glicolaldeide

Formazione di zuccheri da aldeide formica:

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.

HCN e ALDEIDE FORMICACiclo di Calvin

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:

1. Radiazione solare2. Calore proveniente dall’interno della Terra3. Radioattività

Effetto serra

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 (210-2 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.

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

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%)