Possibili ambienti di Possibili ambienti di reazione per le sintesi reazione per le sintesi

prebioticheprebiotiche

Possibili ambienti di Possibili ambienti di reazione per le sintesi reazione per le sintesi

prebioticheprebiotiche

didiSimone LazzaroniSimone Lazzaroni

didiSimone LazzaroniSimone Lazzaroni

Università degli Studi di Pavia - Dipartimento Università degli Studi di Pavia - Dipartimento di Chimica Organica di Chimica Organica

15-12-200515-12-2005

Università degli Studi di Pavia - Dipartimento Università degli Studi di Pavia - Dipartimento di Chimica Organica di Chimica Organica

15-12-200515-12-2005

PrologoIl mondo primordiale riducente

Aleksandr Ivanovic Oparin

La Terra a quel tempo era molto “polverosa”, calda, con ambienti chimicamente aggressivi

Forti attività vulcaniche (e geologiche in genere)

Intense emissioni dalle bocche idrotermali (hydrothermal vents)

Attività geologiche in genere

Radiazioni UV (assenza di ozono)

Fulmini causati da una larga quantità di elettricità statica generata di nubi di polvere

La Terra quindi è un gigantesco laboratorio di chimica con abbondante energia utilizzabile per sintetizzare composti organici sotto varie condizioni. Con un forte accumulo di materiale organico negli oceani e nelle lagune (per es. il brodo primordiale) la chimica organica prebiotica ha un’ampia quantità di materiale con la quale lavorare.

Lacune nell’Esperimento di Miller

Stanley Lloyd Miller

La possibilità di produrre molecole organiche complesse: amminoacidi, a partire da molecole semplici come metano, ammoniaca, acqua e idrogeno.

La possibilità di produrre molecole organiche complesse: amminoacidi, a partire da molecole semplici come metano, ammoniaca, acqua e idrogeno.

Tuttavia l’esperimento di Miller NON spiega:come queste molecole non venissero degradate come avvenisse la loro polimerizzazione

Tuttavia l’esperimento di Miller NON spiega:come queste molecole non venissero degradate come avvenisse la loro polimerizzazione

Catalizzatori MineraliCatalizzatori Minerali

A. G. Cairns–SmithA. G. Cairns–Smith

Cairns–Smith (1982) propose l’ipotesi che a proteggere le molecole complesse da fattori esterni siano stati i minerali e che le argille minerali fossero l’ultimo ancestore della vita.

Piccoli comparti che si formano nei minerali come l’argilla avrebbero ospitato queste molecole (adsorbimento), offrendo loro anche il supporto per il loro assemblaggio.

Le argille minerali hanno una struttura cristallina molto complessa (ampia variazione strutturale) quindi potrebbero fornire le basi per una evoluzione attraverso selezione naturale.

La montmorillonite è un’argilla avente struttura a strati, ognuno dei quali è composto da tre fogli.La montmorillonite è un’argilla avente struttura a strati, ognuno dei quali è composto da tre fogli.I due fogli esterni, chiamati fogli tetraedrici, contengono ioni silicio tetraedricamente coordinati I due fogli esterni, chiamati fogli tetraedrici, contengono ioni silicio tetraedricamente coordinati all’ossigeno.all’ossigeno.Il foglio interno, chiamato foglio ottaedrico, è costituito da ioni alluminio ottaedricamente Il foglio interno, chiamato foglio ottaedrico, è costituito da ioni alluminio ottaedricamente coordinati all’ossigeno.coordinati all’ossigeno.

Durante la formazione delle argille è Durante la formazione delle argille è possibile che alcuni ioni silicio siano possibile che alcuni ioni silicio siano stati rimpiazzati da ioni ferro (III) e stati rimpiazzati da ioni ferro (III) e alcuni ioni Al da ioni magnesio.alcuni ioni Al da ioni magnesio.

Eccesso di cariche negativeEccesso di cariche negative

Eccesso che viene controbilanciato dai Eccesso che viene controbilanciato dai cosiddetti “cationi interstrato” o cationi cosiddetti “cationi interstrato” o cationi “scambiabili“ trattenuti tra gli strati “scambiabili“ trattenuti tra gli strati (gallerie).(gallerie).

Gallerie che possono essere riempite con monomeri, oligomeri o polimeri.Gallerie che possono essere riempite con monomeri, oligomeri o polimeri.

Studi condotti sulle montmorilloniti mostrerebbero la loro capacità di accelerare la conversione spontanea di micelle di acidi grassi in vescicole.

Capacità legata all’accumulo di carica negativa sulla superificie delle argille.

Le argille vengono spesso incapsulate in queste vescicole e ciò suggerirebbe una via per una possibile “incapsulazione prebiotica” di superfici cataliticamente attive dentro membrane vescicolari.

micella vescicola

montmorillonite

Una volta formate queste vescicole possono crescere incorporando acidi grassi forniti dalle micelle e possono dividersi senza diluizione del loro contenuto a causa di perdite attraverso piccoli pori.

Queste vescicole quindi esisterebbero in condizioni prebiotiche, il che avrebbe prodotto distinti microambienti chimici in grado di contenere e proteggere le eventuali molecole organiche al loro interno

Il supporto offerto dai minerali avrebbe permesso di selezionare  attivamente particolari molecole che avrebbero partecipato alla formazione di molecole importanti.

E’ il caso della sintesi delle proteine per un processo di  polimerizzazione di molecole di amminoacidi, che però si presentano in due forme isomeriche (rispettivamente sinistrorsa (L) e destrorsa (D)).

Nell’esperimento di Miller si formarono miscele racemiche di molecole D ed L, mentre le proteine degli organismi sono costituite da amminoacidi L.

Diverse ipotesi sono state avanzate per spiegare tale preferenza e tra queste quella che ha ottenuto un qualche supporto  prende in considerazione che la selezione degli amminoacidi L sia dovuta a qualche particolare caratteristica nell’ambiente.

Robert M. Hazen suppose che questo ambiente fosse rappresentato dalle facce di Robert M. Hazen suppose che questo ambiente fosse rappresentato dalle facce di cristalli di alcuni minerali le cui strutture superficiali sono immagini speculari l’una cristalli di alcuni minerali le cui strutture superficiali sono immagini speculari l’una dell’altra (es. calcite).dell’altra (es. calcite).

Come verifica per questa ipotesi immerse un grosso cristallo di calcite in una Come verifica per questa ipotesi immerse un grosso cristallo di calcite in una soluzione contenente parti uguali delle due forme di un comune amminoacido, soluzione contenente parti uguali delle due forme di un comune amminoacido, l’acido aspartico.l’acido aspartico.

Dopo 24 ore venivano raccolte tutte le molecole che avevano aderito alle due facce Dopo 24 ore venivano raccolte tutte le molecole che avevano aderito alle due facce speculari del cristallo.speculari del cristallo.

Risultò che le facce sinistrorse della calcite selezionavano prevalentemente gli Risultò che le facce sinistrorse della calcite selezionavano prevalentemente gli amminoacidi sinistrorsi, il cui eccesso raggiungeva in alcuni esperimenti il 40%. amminoacidi sinistrorsi, il cui eccesso raggiungeva in alcuni esperimenti il 40%.

Quindi fu per puro caso che la molecola proteica destinata al successo si sia Quindi fu per puro caso che la molecola proteica destinata al successo si sia sviluppata su un faccia di un cristallo che “preferiva” gli amminoacidi sinistrorsi sviluppata su un faccia di un cristallo che “preferiva” gli amminoacidi sinistrorsi anziché quelli destrorsi. anziché quelli destrorsi.

Condizioni idrotermaliCondizioni idrotermaliCondizioni idrotermaliCondizioni idrotermaliI sistemi idrotermali (hydrotermal vents) nei fondali oceanici possono aver I sistemi idrotermali (hydrotermal vents) nei fondali oceanici possono aver fornito uno scenario appropriato per la formazione abiotica e l’accumulo di fornito uno scenario appropriato per la formazione abiotica e l’accumulo di materiale organico sulla Terra “primitiva”, fornendo così composti organici materiale organico sulla Terra “primitiva”, fornendo così composti organici precursori per l’evoluzione della vita.precursori per l’evoluzione della vita.

I sistemi idrotermali (hydrotermal vents) nei fondali oceanici possono aver I sistemi idrotermali (hydrotermal vents) nei fondali oceanici possono aver fornito uno scenario appropriato per la formazione abiotica e l’accumulo di fornito uno scenario appropriato per la formazione abiotica e l’accumulo di materiale organico sulla Terra “primitiva”, fornendo così composti organici materiale organico sulla Terra “primitiva”, fornendo così composti organici precursori per l’evoluzione della vita.precursori per l’evoluzione della vita.

Sono stati condotti quindi degli studi i quali mostrano che la sintesi di Sono stati condotti quindi degli studi i quali mostrano che la sintesi di composti organici in ambiente acquoso è energeticamente possibile.composti organici in ambiente acquoso è energeticamente possibile. Sono stati condotti quindi degli studi i quali mostrano che la sintesi di Sono stati condotti quindi degli studi i quali mostrano che la sintesi di composti organici in ambiente acquoso è energeticamente possibile.composti organici in ambiente acquoso è energeticamente possibile.

Questi studi mostrano che, per sistemi contenenti C, H ed O, i composti organici Questi studi mostrano che, per sistemi contenenti C, H ed O, i composti organici principali sono gli acidi carbossilici, mentre compaiono in tracce alcoli, aldeidi e principali sono gli acidi carbossilici, mentre compaiono in tracce alcoli, aldeidi e chetoni.chetoni.

Mentre studi simili condotti con l’aggiunta dell’N nel sistema, indicano che i Mentre studi simili condotti con l’aggiunta dell’N nel sistema, indicano che i prodotti principali contenenti azoto sono l’urea, ammine e tracce di amminoacidi.prodotti principali contenenti azoto sono l’urea, ammine e tracce di amminoacidi.

E’ stata simulata in autoclave la sintesi in condizioni idrotermali E’ stata simulata in autoclave la sintesi in condizioni idrotermali degli amminoacidi alle seguenti condizioni (Strecker type) : degli amminoacidi alle seguenti condizioni (Strecker type) :

I prodotti principali caratterizzati:I prodotti principali caratterizzati:

GlicinaGlicina

Acido aspartico Acido aspartico

SerinaSerina

AlaninaAlanina

Acido glutammicoAcido glutammico

CHCH44, N, N22, CO, CO22 a 325°C a 325°C

Ipotesi di un “Ipotesi di un “pyrite worldpyrite world” (” (G. Wachtershauser )G. Wachtershauser )

Il primo “cammino” metabolico ebbe luogo in films di composti Il primo “cammino” metabolico ebbe luogo in films di composti organici semplici depositati sulla superficie di cristalli di pirite (FeSorganici semplici depositati sulla superficie di cristalli di pirite (FeS22). ).

La vita può essersi generata in un immobile “alveare" di La vita può essersi generata in un immobile “alveare" di FeSFeS22

Queste “alveari-membrana” (precursori Queste “alveari-membrana” (precursori delle membrane organiche) sono:delle membrane organiche) sono:semi-permeabilisemi-permeabilisemi-conduttivisemi-conduttiviin grado di catalizzare le reazioni in grado di catalizzare le reazioni tenendo assieme i “building blocks”: Htenendo assieme i “building blocks”: H22, ,

NHNH33, HCN e CO, HCN e CO22

Pirite come fonte di Energia ed Pirite come fonte di Energia ed Ordine MoleculareOrdine Moleculare

La formazione di pirite:La formazione di pirite:

FeS + HFeS + H22S S →→ FeS FeS22 + 2H + 2H+++ 2e+ 2e- - produce energia, produce energia, ΔΔGG00 = = -38.4 kJ mol-38.4 kJ mol-1-1

La formazione di pirite:La formazione di pirite:

FeS + HFeS + H22S S →→ FeS FeS22 + 2H + 2H+++ 2e+ 2e- - produce energia, produce energia, ΔΔGG00 = = -38.4 kJ mol-38.4 kJ mol-1-1

Reazione di polimerizzazioneReazione di polimerizzazione

Adsorbimento di gliceraldeide-3-fosfato sulla Adsorbimento di gliceraldeide-3-fosfato sulla superficie di pirite seguita da polimerizzazione.superficie di pirite seguita da polimerizzazione.

(Wachtershauser 1988)(Wachtershauser 1988)

Reazione di polimerizzazioneReazione di polimerizzazione

Adsorbimento di gliceraldeide-3-fosfato sulla Adsorbimento di gliceraldeide-3-fosfato sulla superficie di pirite seguita da polimerizzazione.superficie di pirite seguita da polimerizzazione.

(Wachtershauser 1988)(Wachtershauser 1988)

L’energia necessaria a questi composti per reagire deriverebbe da un L’energia necessaria a questi composti per reagire deriverebbe da un gradiente elettronico che si genererebbe spontaneamente nella membrana gradiente elettronico che si genererebbe spontaneamente nella membrana di di FeSFeS22– producendo: – producendo:

L’energia necessaria a questi composti per reagire deriverebbe da un L’energia necessaria a questi composti per reagire deriverebbe da un gradiente elettronico che si genererebbe spontaneamente nella membrana gradiente elettronico che si genererebbe spontaneamente nella membrana di di FeSFeS22– producendo: – producendo:

L’energia necessaria alla polimerizzazione di questi building blocks L’energia necessaria alla polimerizzazione di questi building blocks deriverebbe da polifosfati originati nell’oceano.deriverebbe da polifosfati originati nell’oceano.L’energia necessaria alla polimerizzazione di questi building blocks L’energia necessaria alla polimerizzazione di questi building blocks deriverebbe da polifosfati originati nell’oceano.deriverebbe da polifosfati originati nell’oceano.

zuccheri, basi azotate ed ammino acidi zuccheri, basi azotate ed ammino acidi

Le teorie sull’origine della vita si possono dividere in due categorie:

PanspermiaPanspermiaSecondo questa ipotesi (avanzata dal chimico svedese Secondo questa ipotesi (avanzata dal chimico svedese Svante A. Arrhenius agli inizi del XX secolo) la vita sarebbe Svante A. Arrhenius agli inizi del XX secolo) la vita sarebbe un componente fondamentale dell’Universo e quindi sarebbe un componente fondamentale dell’Universo e quindi sarebbe sempre esistita.sempre esistita.

Viene supposto quindi che le forme viventi più semplici, Viene supposto quindi che le forme viventi più semplici, sotto forma di germi o spore, migrino attraverso lo sotto forma di germi o spore, migrino attraverso lo spazio ed a fungere da vettori sarebbero comete e spazio ed a fungere da vettori sarebbero comete e meteoriti.meteoriti.

Questi corpi celesti non solo svolgerebbero una funzione Questi corpi celesti non solo svolgerebbero una funzione di trasporto, ma avrebbero anche un ruolo fondamentale di trasporto, ma avrebbero anche un ruolo fondamentale nel proteggere le molecole dai raggi cosmici ad azione nel proteggere le molecole dai raggi cosmici ad azione altamente sterilizzante.altamente sterilizzante.

Uno degli argomenti usato contro l’ipotesi della panspermia Uno degli argomenti usato contro l’ipotesi della panspermia deriva dalla estrema termolabilità dei composti organici.deriva dalla estrema termolabilità dei composti organici.Uno degli argomenti usato contro l’ipotesi della panspermia Uno degli argomenti usato contro l’ipotesi della panspermia deriva dalla estrema termolabilità dei composti organici.deriva dalla estrema termolabilità dei composti organici.

La risposta a tale obiezione è stata fornita da alcuni ricercatori del La risposta a tale obiezione è stata fornita da alcuni ricercatori del California Istitute of Technology, i quali hanno scaldato alcuni California Istitute of Technology, i quali hanno scaldato alcuni frammenti del meteorite di Murchison, dimostrando che il cuore frammenti del meteorite di Murchison, dimostrando che il cuore del meteorite non ha mai superato i 40°C, una temperatura ben del meteorite non ha mai superato i 40°C, una temperatura ben tollerata dai composti organici.tollerata dai composti organici.

La risposta a tale obiezione è stata fornita da alcuni ricercatori del La risposta a tale obiezione è stata fornita da alcuni ricercatori del California Istitute of Technology, i quali hanno scaldato alcuni California Istitute of Technology, i quali hanno scaldato alcuni frammenti del meteorite di Murchison, dimostrando che il cuore frammenti del meteorite di Murchison, dimostrando che il cuore del meteorite non ha mai superato i 40°C, una temperatura ben del meteorite non ha mai superato i 40°C, una temperatura ben tollerata dai composti organici.tollerata dai composti organici.

Comunque l’ipotesi della Panspermia non fa che spostare il Comunque l’ipotesi della Panspermia non fa che spostare il problema dell’origine della vita su altri corpi celesti.problema dell’origine della vita su altri corpi celesti.Comunque l’ipotesi della Panspermia non fa che spostare il Comunque l’ipotesi della Panspermia non fa che spostare il problema dell’origine della vita su altri corpi celesti.problema dell’origine della vita su altri corpi celesti.

Come avrebbero resistito queste molecole al calore cui vengono Come avrebbero resistito queste molecole al calore cui vengono sottoposti i meteoriti all’ingresso nell’atmosfera?sottoposti i meteoriti all’ingresso nell’atmosfera?Come avrebbero resistito queste molecole al calore cui vengono Come avrebbero resistito queste molecole al calore cui vengono sottoposti i meteoriti all’ingresso nell’atmosfera?sottoposti i meteoriti all’ingresso nell’atmosfera?

ConclusioniConclusioniConclusioniConclusioniLa vita potrebbe aver avuto origine molto tempo prima che le condizioni La vita potrebbe aver avuto origine molto tempo prima che le condizioni sulla superficie della Terra diventassero idonee per la sopravvivenza e sulla superficie della Terra diventassero idonee per la sopravvivenza e l’evoluzione delle prime entità viventi.l’evoluzione delle prime entità viventi.

La vita potrebbe aver avuto origine molto tempo prima che le condizioni La vita potrebbe aver avuto origine molto tempo prima che le condizioni sulla superficie della Terra diventassero idonee per la sopravvivenza e sulla superficie della Terra diventassero idonee per la sopravvivenza e l’evoluzione delle prime entità viventi.l’evoluzione delle prime entità viventi.

Teorie che spaziano da quelle Teorie che spaziano da quelle scientificamente più logiche …scientificamente più logiche …Teorie che spaziano da quelle Teorie che spaziano da quelle scientificamente più logiche …scientificamente più logiche …

Ci sono molte teorie riguardanti i luoghi e gli ambienti in cui si sarebbero Ci sono molte teorie riguardanti i luoghi e gli ambienti in cui si sarebbero originate le biomolecole necessarie allo sviluppo degli organismi viventi.originate le biomolecole necessarie allo sviluppo degli organismi viventi.Ci sono molte teorie riguardanti i luoghi e gli ambienti in cui si sarebbero Ci sono molte teorie riguardanti i luoghi e gli ambienti in cui si sarebbero originate le biomolecole necessarie allo sviluppo degli organismi viventi.originate le biomolecole necessarie allo sviluppo degli organismi viventi.

Ma queste sono solo teorie!!!Ma queste sono solo teorie!!!Ma queste sono solo teorie!!!Ma queste sono solo teorie!!!

… a quelle più bizzarre!!!