Origine della vita

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La Terra

Stromatoliti risalenti al Precambriano nella Formazione di Siyeh Formation, Glacier National Park. Nel 2002, William Schopf della UCLA pubblicò un controverso articolo sul giornale scientifico Nature affermendo che formazioni geologiche come quelle appartenessero ad alghe microbiche fossilizzate di 3,5 miliardi di anni fa.^[1] Se fosse vero, si tratterebbe della prima forma di vita conosciuta sulla Terra.

Nelle scienze della Natura, l'abiogenesi (dal greco a-bio-genesis, "origini non biologiche"), ossia la questione dell' origine della vita, riguarda lo studio su come la vita sia comparsa e svilluppatasi sulla Terra e, ipoteticamente, in altri luoghi dell'universo conosciuto a partire dal big bang, 13,7 miliardi di anni fa.^[2]

L'origine della vita sulla Terra è databile ad un periodo compreso tra i 4,4 miliardi di anni fa, quando l'acqua allo stato liquido comparve sulla superficie terrestre,^[3] e i 2,7 miliardi di anni fa quando la prima incontrovertibile evidenza della vita è verificata da isotopi stabili^[4][5] e biomarcatori molecolari che mostrano l'attività di fotosintesi.^[6][7]

[modifica] Storia del concetto nella scienza

Dalla metà del XIX secolo Pasteur e altri avevano dimostrato che organismi viventi non si generano spontaneamente da materia inorganica; questo pose la questione scientifica di come la vita potesse essersi formata da processi naturali.

In una lettera a Joseph Dalton Hooker del 1° febbraio 1871, Charles Darwin suggerì che l'iniziale scintilla si fosse verificata in un "piccolo e tiepido stagno, contenente ammoniaca e sali fosforici, luce, calore, elettricità, ecc., in modo che una proteina fosse chimicamente prodotta pronta per subire nuovi e più complessi cambiamenti". Egli proseguiva spiegando che "oggi tale materia sarebbe stata istantaneamente divorata o assorbita, che non sarebbe stata la causa da cui le creature viventi si sarebbero formate." In altre parole, la presenza della vita stessa evita che la generazione spontanea di semplici composti organici avvenga sulla Terra oggi; una circostanza che rende la ricerca dell'origine della vita dipendente dalle condizioni sterili del laboratorio.

Aleksandr Oparin (a destra) nel suo laboratorio

Un approccio sperimentale alla questione era oltre le possibilità la portata della scienza di laboratorio ai tempi di Darwin, e nessun progresso reale fu compiuto fino al 1924 quando Aleksandr Ivanovič Oparin dimostrò che fu la carenza di ossigeno atmosferico e altre forme di vita più sofisticate a precedere la catena degli eventi, la quale avrebbe condotto all'evoluzione della vita. Nella sua pubblicazione L'origine della vita sulla Terra, Oparin affermò che un "brodo primordiale" di molecole organiche si sarebbe creato in un'atmosfera povera di ossigeno per azione della luce solare. Queste si sarebbero combinate formando molecole sempre più complesse fino ad arrivare ai coacervati. Queste goccioline, simili nell'aspetto alle attuali cellule, si sarebbero accresciute per fusione con altre gocce e riprodotte attraverso la divisione in gocce figlie, ottenendo così un metabolismo primordiale in cui quei fattori che promuovevano l'integrità cellulare si mantenevano, al contrario degli altri che si estinguevano. Molte teorie moderne sull'origine della vita mantengono l'idea di Oparin come punto di partenza.

[modifica] Modelli correnti

In verità non vi è un modello standard dell'origine della vita. Tuttavia i modelli attualmente accettati si basano su alcune scoperte circa l'origine delle componenti molecolari e cellulari della vita, che sono elencati qui sotto:

1. Condizioni pre-biotiche che permettevano lo sviluppo di talune piccole molecole (momomeri) basilari per la vita, come gli amminoacidi. Questo fu dimostrato nel corso dell'esperimento di Miller-Urey da Stanley Miller e Harold Urey nel 1953.
2. I fosfolipidi (se di lunghezza appropriata) possono spontaneamente formare un doppio strato, componente base della membrana cellulare.
3. La polimerizzazione di nucleotidi in molecole casuali di RNA è stata verificata nei ribozimi autoreplicantisi (ipotesi del mondo a RNA).
4. Una selezione naturale per efficienza catalitica e diversità risulta nei ribozimi dotati di peptidil transferasi (di qui la formazione di piccole proteine), dagli oligopeptidi complessi con l'RNA per formare catalizzatori migliori. Nacque così il primo ribosoma, e la sintesi proteica divenne più prevalente.
5. Le proteine superano i ribozimi per abilità catalitica, divenendo quindi i biopolimeri dominanti. Gli acidi nucleici sono limitati ad una funzione prettamente genomica

L'origine delle biomolecole fondamentali, benché non stabilita, è meno controversa della significatività e dell'ordine cronologico delle tappe 2 e 3. Le sostanze fondamentali da cui si pensa che la vita si sia formata sono:

• metano (CH₄)
• ammoniaca (NH₃)
• acqua (H₂O)
• acido solfidrico (H₂S)
• anidride carbonica (CO₂) o monossido di carbonio (CO)
• fosfati (PO₄^3-).

L'ossigeno molecolare (O₂) e ozono (O₃) erano entrambi rari o assenti.

Fino al 2007, nessuno aveva ancora sintetizzato una "protocellula" usando componenti base che avessero le proprietà necessarie per la vita (il cosiddetto "approccio dal basso verso l'alto"). Senza tale conferma sperimentale, le formalizzazioni tendevano a perdere credibilità. Comunque, alcuni ricercatori stanno lavorando in questo campo, in particolare Steen Rasmussen al Los Alamos National Laboratory e Jack Szostak all'Harvard University. Altri hanno sostenuto che un "approccio dall'alto verso il basso" fosse più fattibile. Un tale approccio, tentato da Craig Venter e da altri al The Institute for Genomic Research, comporta di modificare cellule procariote esistenti con un numero sempre minore di cromosomi, tentando di discernere a che punto i requisiti minimi per la vita sono raggiunti. Il biologo John Desmond Bernal coniò per tale processo il termine Biopoiesi ed ha suggerito che vi erano alcuni "stadi" chiaramente definiti che potevano essere riconosciuti per spiegare l'origine della vita.

Stadio 1: L'origine dei monomeri biologici
Stadio 2: L'origine dei polimeri biologici
Stadio 3: L'evoluzione dalle molecole alla cellula

Bernal suggerì che l'evoluzione Darwiniana dovesse essere iniziata presto, in un periodo compreso tra gli stadi 1 e 2.

[modifica] Origine delle molecole organiche

[modifica] Esperimenti di Miller

Per approfondire, vedi la voce Esperimento di Miller-Urey.

L'esperimento di Miller-Urey cercò di ricreare le condizioni chimiche della Terra primitiva in laboratorio e sintetizzò alcuni dei "mattoncini" della vita.

Nel 1953 un neolaureato, Stanley Miller, ed il suo professore, Harold Urey, realizzarono un esperimento che provò che molecole organiche si sarebbero potute formare spontaneamente sulla Terra primordiale da precursori inorganici. In quello che è passato alla storia come "esperimento di Miller" si fece uso di una soluzione gassosa altamente riducente - metano, ammoniaca ed idrogeno – per formare monomeri organici di base, come gli amminoacidi. Resta argomento controverso se la soluzione di gas utilizzata nell'esperimento riflettesse davvero la composizione dell'atmosfera della Terra primordiale. Altri gas meno riducenti producono una minore quantità e varietà di prodotti. Un tempo si pensava che nell'atmosfera prebiotica fossero presenti quantità apprezzabili di ossigeno molecolare, che avrebbe essenzialmente prevenuto la formazione di molecole organiche; tuttavia, la comunità scientifica odierna ritiene che tale ipotesi sia fuorviante.

Nel 2006 un altro esperimento mostrò che una densa foschia organica avvolgesse la Terra primordiale.^[8] Una tale foschia organica poteva dar luogo alle grandi concentrazioni di metano e anidride carbonica che si ritiene fossero presenti nell'atmosfera della Terra a quel tempo. Una volta formate, tali molecole organiche sarebbero ricadute sulla superficie terrestre, consentendo la fioritura della vita a livello globale.^[9]

Le molecole organiche di questo tipo sono, ovviamente, molto distanti da una forma di vita pienamente compiuta ed autoreplicantesi. Ma in un ambiente privo di forme di vita preesistenti, queste molecole si sarebbero accumulate ed avrebbero fornito un ambiente ricco per l'evoluzione chimica ("brodo primordiale"). D'altro canto la formazione spontanea di polimeri complessi da monomeri generati abioticamente in tali condizioni non è un processo diretto. Inoltre alcuni isomeri dei monomeri organici fondamentali, che avrebbero evitato la formazione di polimeri, si sono formati in elevate concentrazioni nell'esperimento.

Sono state ipotizzate altre sorgenti di molecole complesse, incluse di origine extra-terrestri o interstellari. Per esempio, da analisi spettrali, si sa che tali molecole organiche sono presenti su comete e meteoriti. Nel 2004, un'equipe trovò in una nebulosa tracce di idrocarburi policiclici aromatici (IPA), attualmente il tipo di molecole più complesse mai rinvenuta nell'universo. Gli IPA sono stati anche proposti come precursori dell'RNA nella cosiddetta "ipotesi del mondo a IPA".

Si può obiettare che la questione più cruciale a cui questa teoria non fornisce una risposta esauriente è come le molecole organiche relativamente semplici si siano polimerizzate a formare strutture più complesse, fino alla protocellula. Per esempio, in ambiente acquoso l'idrolisi degli oligomeri/polimeri nei loro monomeri costituenti è favorita rispetto alla condensazione dei singoli monomeri in polimeri. Ancora, l'esperimento di Miller produce varie sostanze che potrebbero dar luogo a reazioni di doppio scambio con gli amminoacidi o stoppare la catena peptidica.

[modifica] Esperimenti recenti che si rifanno agli esperimenti di Miller

Esperimenti più recenti compiuti dal chimico Jeffrey Bada presso la Scripps Institution of Oceanography (La Jolla, California) sono simili a quelli eseguiti da Miller. Comunque, Bada notò che nei modelli correnti delle condizioni della Terra primordiale, il biossido di carbonio e l'azoto formano nitriti, che distruggono gli amminoacidi appena si formano. Tuttavia, sulla Terra primordiale dovevano essere presenti quantità significative di ferro e carbonati in grado di neutralizzare gli effetti dei nitriti. Quando Bada eseguì un esperimento che ricalcava quello di Miller con l'aggiunta di ferro e minerali carbonati, i prodotti risultarono ricchi di amminoacidi. Questo suggerisce che l'origine di quantità significative di amminoacidi possa essere avvenuta nella Terra primordiale anche se nell'atmosfera erano presenti biossido di carbonio e azoto.^[10]

[modifica] Ipotesi di Eigen

All'inizio degli anni settanta, un'equipe di scienziati riuniti intorno a Manfred Eigen dell'Istituto Max Planck cercò si risolvere definitivamente il problema dell'origine della vita. Cercarono di esaminare i passaggi di transizione tra il caos molecolare nel brodo primordiale e un sistema autoreplicantesi di semplici macromolecole.

In un iperciclo, il sistema di memorizzazione dell'informazione (forse l'RNA) produce un enzima, che catalizza la formazione di un altro sistema di informazione, e così via in sequenza finché il prodotto dell'ultimo aiuta nella formazione del primo distema di informazione. Trattati matematicamente, gli ipercicli possono dar luogo a quasispecie, che attraverso la selezione naturale entrarono in una forma di evoluzione darwiniana. Una spinta alla teoria dell'iperciclo fu la scoperta che l'RNA in certe circostanze si trasforma in ribozimi, una forma di enzimi.

[modifica] Ipotesi di Wächtershäuser

Un'altra possibile risposta all'enigma della polimerizzazione venne fornita negli anni ottanta da Günter Wächtershäuser nella sua teoria del mondo a ferro-zolfo. In questa teoria, egli postulò l'evoluzione sottomarina di pathways (percorsi) (bio)chimici come fondamento dell'evoluzione della vita^[11] . Inoltre, presentò un consistente sistema per seguire la biochimica moderna all'indietro fino alle reazioni ancestrali che fornirono pathways alternativi per la sintesi di mattoncini organici da semplici composti gassosi.

In contrasto con l'esperimento di Miller classico, che dipende da fonti di energia esterne (come la simulazione di fulmini o radiazione ultravioletta), i "sistemi di Wächtershäuser" funzionano con una risorsa energetica endogena, i solfuri di ferro e altri minerali come la pirite. L'energia liberata dalle reazioni di ossidoriduzione di questi sulfuri metallici non è solo disponibile per la sintesi di molecole organiche, ma anche per la formazione di oligomeri e polimeri. È pertanto ipotizzato che tali sistemi possano evolvere in insiemi autocatalitici di entità metabolicamente attive e autoreplicantesi, che avrebbero preceduto le forme di vita oggi conosciute.

L'esperimento così eseguito produsse una quantità relativamente bassa di bipeptidi (dallo 0,4% al 12,4%) ed una ancora minore di tripeptidi (0,10%) e gli scienziati notarono che a quelle stesse condizioni i dipeptidi si idrolizzano rapidamente.^{[citazione necessaria]} Un'altra critica che si può muovere è che l'esperimento non includeva nessuna delle organomolecole che probabilmente avrebbero reagito o interrotto la catena.^[12]

L'ultima modifica all'ipotesi ferro-zolfo fu apportata da William Martin e Michael Russell nel 2002. Nello scenario da loro ipotizzato, le prime forme di vita cellulari si sarebbero evolute all'interno di vulcani sottomarini sui fondali di mari molto profondi.

Schema biogeochimico dell'ecosistema dei vulcani sottomarini

Queste strutture consistono di piccole caverne che sono coperte da leggeri muri membranosi formati da solfuri metallici. Pertanto, tali strutture risolverebbero molti punti critici dei sistemi puri di Wächtershäuser:

1. le micro-caverne forniscono un modo di concentrare le molecole appena sintetizzate, aumentando perciò la possibilità di formare oligomeri;
2. i gradienti di temperatura nel vulcano permettono di stabilire le condizioni ottimali per le reazioni parziali in differenti regioni del vulcano (sintesi dei monomeri in quelle più calde, oligomerizzazione nelle parti più fredde);
3. lo scorrere di acqua idrotermale dalle strutture fornisce una fonte costante di energia e molecole semplici (solfuri metallici appena precipitati);
4. il modello consente una successione di diversi passaggi di evoluzione cellulare (chimica prebiotica, sintesi di monomeri e oligomeri, sintesi di peptidi e proteine, mondo dell'RNA, assemblaggio di proteine ribonucleari e mondo del DNA) in una singola struttura, facilitando lo scambio tra tutti gli stadi di sviluppo;
5. la sintesi dei lipidi come mezzo di protezione delle cellule contro l'ambiente non è necessaria, fino a che tutte le basilari funzioni cellulari sono sviluppate.

Questo modello localizza il LUCA ("Ultimo Antenato Comune Universale") nel vulcano sottomarino piuttosto che assumerne l'esistenza come forma di vita libera. L'ultimo passo evolutivo sarebbe stata la sintesi di una membrana lipidica che alla fine permette agli organismi di abbandonare il sistema di microcaverne dei vulcani sottomarini e iniziare vite indipendenti. Questa acquisizione tardiva dei lipidi è coerente con la presenza di tipi di membrane lipidiche completamente diverse negli archaebatteri e negli eubatteri con la fisiologia cellulare altamente simile di tutte le forme di vita in molti altri aspetti.

[modifica] Ipotesi sull'origine dell'omochiralità

Alanina R e L

Un'altra questione irrisolta nell'evoluzione chimica è l'origine dell'omochiralità, (L-amminoacidi e R-acidi nucleici). L'omochiralità, spiegabile semplicemente con un iniziale asimmetria, è essenziale per la formazione di ribozimi funzionali (e probabilmente anche proteine). Il lavoro eseguito tra il 2001 ed il 2003 da scienziati al Purdue identificò l'amminoacido serina come probabile causa prima dell'omochilarità di molecole organiche.^{[13] [14]} La serina forma legami particolarmente saldi con gli amminoacidi della stessa chiralità, risultando in un gruppo di otto molecole che devono essere tutte R o L. Questa proprietà va contro ad altri amminoacidi che sono in grado di formare legami deboli con amminoacidi di chiralità opposta. Benché il mistero sul perché la serina L divenne dominante sia ancora insoluto, questo risultato suggerisce una risposta alla domanda della trasmissione chirale: come le molecole organiche di una chiralità mantengono la dominanza una volta che l'asimmetria è stabilita.

[modifica] Dalle molecole organiche alle protocellule

La domanda "Come semplici molecole organiche possono formare una protocellula?" è tutt'ora senza risposta, ma vi sono molte ipotesi. Alcune di queste postulano per prima l'apparizione degli acidi nucleici mentre altri ritengono antecedenti l'evoluzione delle reazioni biochimiche ed i pathways. Recentemente stanno emergendo modelli ibridi che combinano gli aspetti delle due ipotesi.

[modifica] Modello del "Gene prima": il mondo a RNA

Per approfondire, vedi la voce ipotesi del mondo a RNA.

Confronto tra le basi di RNA e DNA

L'ipotesi del mondo a RNA suggerisce che molecole relativamente corte di RNA, capaci di catalizzare la loro propria replicazione, potrebbero essersi formate spontaneamente. È difficile misurare la probabilità di tale formazione. Sono state avanzate varie teorie sulle modalità di formazione. Le prime membrane cellulari si sarebbero formate spontaneamente da proteinoidi, molecole simili a proteine che vengono prodotte quando le soluzioni amminoacidiche sono scaldate - se presenti alla corretta concentrazione in ambiente acquoso, formano microsfere che si comportano in modo simile a compartimenti racchiusi in membrana. Altre possibilità includono sistemi di reazioni chimiche all'interno di substrati di argilla o sulla superficie di rocce di pirite. I fattori che supportano l'importante ruolo del RNA nelle prime fasi della vita sulla Terra sono la sua abilità nel replicarsi; la sua capacità sia di immagazzinare informazioni che di catalizzare reazioni chimiche; i suoi molti ruoli importanti come intermedio nell'espressione e nel mantenimento dell'informazione genetica (nella forma di DNA) negli organismi superiori; e la capacità di compiere sintesi chimiche almeno dei componenti molecolari in condizioni che approssimano quelle della Terra primordiale.

Con quest'ipotesi rimangono, in particolare legate all'instabilità dell'RNA quando viene esposto alla radiazione ultravioletta, la difficoltà di attivare e legare i nucleotidi e la scarsità in soluzione di fosfati disponibili necessari a formare la spina dorsale, e l'instabilità della base citosina che è prona all'idrolisi. Esperimenti recenti hanno rilevato che le prime stime sulle dimensioni di una molecola di RNA capace di auto-replicarsi erano molto probabilmente fortemente sottostimate. Le forme attuali della teoria del mondo a RNA propongono che una molecola più semplice era in grado di auto-replicarsi (che un altro "Mondo" si sarebbe evoluto successivamente producendo il Mondo a RNA). Attualmente, tuttavia, le varie ipotesi hanno un impianto sperimentale incompleto: molte di esse possono essere simulate e testate in laboratorio, ma la scarsità di rocce sedimentarie risalenti a quel periodo della Terra primordiale conferisce scarse opportunità di verificare quest'ipotesi con certezza.

[modifica] Modelli del "Metabolismo prima": mondo a ferro-zolfo e altri

Molti modelli respingono l'idea dell'auto-replicazione di un "gene-nudo" e ipotizzano l'emergenza di un primitivo metabolismo che avrebbe fornito l'ambiente per il successivo emergere della replicazione dell'RNA.

Una delle prime formalizzazioni di quest'idea fu avanzata nel 1924 da Alexander Oparin che postulò la presenza di primitive vesicole auto-replicantesi antecedenti alla scoperta della struttura del DNA. Varianti più moderne, risalenti agli anni Ottanta e Novanta, includono la teoria del Mondo a ferro-zolfo di Günter Wächtershäuser e i modelli introdotti da Christian de Duve basati sulla chimica dei tioesteri. Di argomentazioni più astratte e teoriche a sostegno dell'emergenza del metabolismo senza la presenza di geni fanno parte un modello matematico introdotto da Freeman Dyson all'inizio degli anni Ottanta e l'idea di Stuart Kauffman a proposito di insiemi autocatalitici, discussi più tardi in questo decennio.

Tuttavia, l'idea che un ciclo metabolico chiuso, come il ciclo dell'acido citrico, si possa formare spontaneamente (come proposto da Günter Wächtershäuser) rimane priva di supporto. Secondo Leslie Orgel, un leader negli studi sull'origine della vita negli ultimi decenni, vi è una ragione per credere che l'asserzione rimarrà così. In un articolo intitolato Self-Organizing Biochemical Cycles, ^[15] Orgel riassume la sua analisi della proposta affermando, "Non vi sono attualmente ragioni per aspettarsi che cicli formati da più passaggi come il ciclo riduttivo dell'acido citrico si siano auto-organizzate su una superficie composta da FeS o FeS₂ o qualche altro minerale." È possibile che un altro tipo di pathway metabolico fosse usato al principio della vita. Per esempio, invece del ciclo riduttivo dell'acido citrico, il pathway "aperto" dell'acetil-CoA (un altro dei quattro modi riconosciuti della fissazione del biossido di carbonio nella natura di oggi) sarebbe stato più compatibile con l'idea di auto-organizzazione sulla superficie di un solfuro metallico. L'enzima chiave di questo pathway, la monossido di carbonio deidrogenasi/acetil-CoA sintetasi ospita gruppi misti nichel-ferro-zolfo nei suoi centri di reazione e catalizza la formazione dell'acetil-CoA in un singolo passaggio.

[modifica] Teoria bolla

Le onde che si infrangono sulla riva creano un una delicata schiuma composta da bolle. I venti che soffiano sugli oceani hanno la tendenza a portare le cose a riva, come la legna che si accumula sulla battigia. È possibile che delle molecole organiche si siano concentrate sulle rive più o meno allo stesso modo. Le acque costiere poco profonde tendono anche ad essere più calde, concentrando ulteriormente le molecole con l'evaporazione. Mentre le bolle composte soprattutto da acqua si dissolvono rapidamente, quelle oleose possiedono una maggiore stabilità.

I fosfolipidi costituiscono un buon esempio di composto oleoso ritenuto abbondante nei mari prebiotici. Siccome i fosfolipidi contengono una testa idrofila da un lato, ed una coda idrofobica dall'altro, hanno la tendenza spontanea a formare membrane lipidiche in acqua. Una bolla formata da un unico strato può contenere solo olio, e, pertanto, non è favorevole ad ospitare molecole organiche idrosolubili. D'altro canto, una bolla lipidica a doppio strato può contenere acqua, ed è quindi più probabilmente il precursore delle moderne membrane cellulari. Se una proteina la attraversa, accresce l'integrità della sua bolla "genitore", cosicché la bolla ne ha un vantaggio, e viene posta in cima alla lista d'attesa della selezione naturale. La riproduzione primitiva può essere rappresentata come quando le bolle scoppiano, rilasciando i risultati dell'esperimento nel mezzo circostante. Una volta che una quantità sufficiente di prodotti era rilasciata nel mezzo, lo sviluppo dei primi procarioti, eucarioti e organismi pluricellulari poteva avvenire.^[16]

Similmente, le bolle formate interamente da molecole simili a proteine, denominate microsfere, si formeranno spontaneamente alle giuste condizioni. Ma non sono un probabile precursore delle moderne membrane cellulari, dal momento che le membrane cellulari sono formate prevalentemente da composti lipidici che amminoacidici (per i tipi di membrana sferica associata all'abiogenesi, si veda probionti, micelle, coacervati).

[modifica] Altri modelli

[modifica] Autocatalisi

L'etologo britannico Richard Dawkins scrisse circa l'autocatalisi come possibile spiegazione dell'origine della vita nel suo libro Il racconto dell'antenato. La grande storia dell'evoluzione edito nel 2004. Gli autocatalitici sono sostanze che catalizzano la propria produzione, e pertanto hanno la proprietà di essere un semplice replicatore molecolare. In questo libro, Dawkins cita esperimenti effettuati da Julius Rebek ed i suoi colleghi allo Scripps Research Institute in California in cui combinarono ammino adenosina e pentafluorofenilestere con l'autocatalita ammino adenosino triacido estere (AATE). Un sistema proveniente dall'esperimento conteneva varianti di AATE che catalizzavano la propria sintesi. Questo esperimento dimostrò la possibilità che l'autocatalisi poteva manifestare competizione all'interno di una popolazione di entità con ereditarietà, che poteva essere interpretata come una forma rudimentale di selezione naturale.

[modifica] Teoria dell'argilla

Una teoria basata sull'argilla fu avanzata da A. Graham Cairns-Smith dell'University of Glasgow nel 1985 e adottata come un'illustrazione plausibile da appena una manciata di altri scienziati (tra cui Richard Dawkins). La teoria di Graham Cairns-Smith postula la formazione di molecole organiche complesse su una piattaforma inorganica pre-esistente, presumibilmente cristalli di silicati in soluzione. Si tratta, in realtà, di "vita dalla roccia".

Cairns-Smith è uno strenuo critico di altri modelli di evoluzione chimica.^[17] Tuttavia, ammette che, come molti altri modelli dell'origine della vita, anche il suo contiene dei risvolti problematici (Horgan 1991).

Peggy Rigou del National Institute of Agronomic Research (INRA), a Jouy-en-Josas, Francia scrive sull'edizione di Science News dell'11 febbraio 2006 che i prioni sono capaci di legarsi alle particelle di argilla e migrare quando l'argilla diventa carica negativamente. Mentre nessun riferimento è fatto in questa relazione sulle implicazioni per le teorie sull'origine della vita, questa ricerca suggerisce che i prioni siano un pathway probabile per le prime molecole replicantesi.

[modifica] "Biosfera profonda-calda" modello di Gold

La scoperta dei nanobi (strutture filiformi contenenti DNA e di dimesioni inferiori ad un batterio) in rocce profonde, portò negli anni Novanta alla formulazione da parte di Thomas Gold di una controversa teoria secondo cui la vita si sviluppò non sulla superficie terrestre, ma vari chilometri sotto la crosta. È noto che la vita microbica è ricca fino a cinque chilometri al di sotto della superficie terrestre nella forma degli archaea, che sono generalmente considerati come anteriori o per lo meno contemporanei per sviluppo agli eubatteri, molti dei quali vivono sulla superficie inclusi gli oceani. Si ritiene che la scoperta di vita microbica sotto la superficie di altri corpi celesti nel nostro Sistema Solare darebbe una credibilità rilevante a questa teoria. Gold annotò anche come un filo di cibo da una sorgente secca e difficile da raggiungere promuova la sopravvivenza perché la vita che si forma in una pozzanghera di materiale organico ha forti probabilità di consumare tutto il cibo ed estinguersi.

[modifica] Il Mondo a Lipidi

I fosfolipidi sono in grado di formare membrane biologiche

Vi è una teoria che ascrive la prima entità autoreplicantesi come simile ad un lipide.^[18] È noto che i fosfolipidi formano spontaneamente doppi strati in acqua - la stessa struttura delle membrane cellulari. Queste molecole non erano presenti sulla Terra primordiale, ma anche altre molecole a catena lunga anfifilica sono in grado di formare membrane. Inoltre, questi corpi si possono espandere (per inserzione di altri lipidi), e in seguito ad eccessiva espansione, vanno incontro a rottura spontanea che preserva la stessa dimensione e composizione dei lipidi nelle due progenie. La principale idea in questa teoria è che la composizione molecolare dei corpi lipidici è il percorso preliminare per l'immagazzinamento dell'informazione, e che l'evoluzione condusse alla comparsa di entità polimeriche come l'RNA o il DNA che immagazzinano più facilmente l'informazione.

[modifica] Il modello a polifosfati

Il problema con la maggior parte degli scenari abiogenetici è che l'equilibrio termodinamico degli amminoacidi con i peptidi va nella direzione di separare gli amminoacidi. Ciò che è stato tralasciato è una forza che induca la polimerizzazione. La risoluzione di questo problema può essere rilevata nelle proprietà dei polifosfati.^[19][20] I polifosfati sono generati dalla polimerizzazione di ioni monofosfato ordinari PO₄^-3 ad opera della radiazione ultravioletta. I polifosfati inducono la polimerizzazione degli amminoacidi in peptidi, guidando il processo contro la direzione dell'equilibrio. Grandi quantità di ultravioletti erano probabilmente presenti negli oceani primordiali. La questione chiave sembra essere che il calcio reagisce con il fosfato solubile formando fosfato di calcio insolubile, per cui occorre trovare un meccanismo plausibile per mantenere gli ioni calcio liberi in soluizione. Forse, la risposta potrebbe trovarsi in alcuni complessi stabili e non reattivi come il citrato di calcio.

[modifica] Il modello dell'ecopoiesi

Il modello dell'ecopoiesi^[21] propone che i cicli biogeochimici degli elementi biogenici, catalizzati da un'atmosfera primordiale ricca di ossigeno, siano stati la base di un metabolismo planetario che precedette e condizionò la graduale evoluzione della vita.

[modifica] Vita "primitiva" extraterrestre

Un'alternativa all'abiogenesi terrestre è l'ipotesi che la vita primitiva si sia originariamente formata in ambiente extraterrestre, o nel cosmo o su un pianeta vicino (Marte). (Si noti che l' esogenesi è legata, ma non coincide con la nozione di panspermia).

[modifica] La presenza di acqua

Per questo motivo ultimamente rivestono particolare importanza le osservazioni dei pianeti esterni alla Terra o addirittura fuori dal Sistema Solare. Per cercare la presenza di vita su questi pianeti, ci si concentra principalmente sulla ricerca di acqua allo stato liquido, considerata indispensabile alla formazione di entità viventi. In questi casi, la situazione è molto diversa: il calore necessario per la presenza di acqua allo stato liquido non è più legata principalmente all'energia ricevuta dal Sole, ma da quella prodotta all'interno dei singoli pianeti per effetto della forza gravitazionale e del decadimento radioattivo. Per esempio, si ipotizza la possibile presenza di acqua allo stato liquido all'interno dei cosiddetti satelliti di ghiaccio, dove le forze di marea indotte dal pianeta stirano e distorcono la crosta causando l'innalzamento della temperatura oltre il punto di fusione.^[22]

[modifica] Acqua su Marte

Per approfondire, vedi la voce Vita su Marte.

Varie missioni spaziali sono state effettuate sul pianeta rosso al fine di verificare la presenza di acqua. Sul suolo maziano sono state rintracciate tracce di ematite, un minerale che si forma solamente in presenza di acqua e sono state osservate zone sedimentarie che si ipotizza possano essersi formate per azione erosiva di un liquido; il rover Opportunity ha inoltre ottenuto riscontri che in un antico passato l'acqua esisteva allo stato fluido sulla superficie di Marte.

Sedimenti che indicano la presenza di acqua su Marte

Nel dicembre del 2006 Mars Global Surveyor ha fornito le prove fotografiche che a tutt'oggi l'acqua fuoriesce da fenditure lasciando depositi sul terreno. Altre fotografie hanno mostrato alvei di antichi fiumi, isole che sorgevano al loro interno, prove inconfutabili che un tempo il liquido scorreva formando le caratteristiche formazioni ora visibili. Ma col diminuire del campo magnetico il vento solare ha spazzato via la primitiva atmosfera facendo diminuire drasticamente la pressione ed eliminando quasi completamente l'acqua dalla superficie.

Nel marzo del 2004 la sonda Mars Express ha rilevato la presenza di metano nell'atmosfera di Marte, e siccome questo gas può persistere solo per poche centinaia di anni, essa viene spiegata solamente attraverso un processo vulcanico o geologico non identificato o con la presenza di certe forme di vita estremofile. Secondo altri esperti, il minerale chiamato olivina in presenza di acqua potrebbe essere stato convertito in serpentina, e questo fenomeno potrebbe essere successo in qualche posto nel sottosuolo di Marte ed aver liberato abbastanza metano da poter essere stato rilevato dalle sonde. Ancora il Mars Express nel febbraio 2005 ha segnalato la presenza di formaldeide, altro indizio di presenza di vita microbica.

Nel novembre del 2005 i ricercatori dell'ESA hanno comunicato che la sonda utilizzando il radar MARSIS ha individuato quello che probabilmente è un lago ghiacciato largo fino a 250 chilometri nel sottosuolo del pianeta ad una profondità di circa 2 chilometri. Il bacino del lago deriverebbe da un impatto di un meteorite che in seguito si sarebbe riempito di materiale ricco di ghiaccio. Tramite MARSIS si sono potuti contare i crateri nascosti dai sedimenti e dalle colate laviche della regione nord di Marte. Il numero di questi crateri è comparabile con il numero di quelli presenti nella regione sud, quindi entrambi le regioni si sarebbero formate nello stesso arco temporale. ^[23] Lo strumento MARSIS inoltre ha permesso di effettuare una stima di massima della quantità d'acqua immagazzinata sotto forma di ghiaccio nella regione del polo sud.^[24]

Nel maggio 2008 è atterrata la sonda Phoenix su una regione polare. Essa ha il compito di cercare un ambiente dove possano vivere i microorganismi; il lander con un braccio meccanico scaverà il terreno ed analizzerà il materiale ottenuto. Phoenix lavorerà su terreni vecchi di 50.000 e forse un milione di anni nell'intento di trovare tracce di un antico clima marziano più temperato.

[modifica] L'arrivo sulla Terra

I composti organici sono relativamente comuni nello spazio, specialmente al di fuori del sistema solare, dove i composti volatili non evaporano per effetto del calore solare. Le comete sono rivestite da strati esterni in materiale scuro, ritenuto essere simile al catrame composto di materiale organico complesso formato da semplici composti del carbonio andati incontro a reazioni dovute soprattutto all'irraggiamento da parte degli ultravioletti. Si può supporre che una pioggia di materiale dalle comete possa aver portato sulla Terra quantità significative di tali complessi organici.

La cometa Hale Bopp. L'impatto di comete come questa con la superficie terrestre avrebbe rilasciato una gran quantità di complessi organici

Un'ipotesi alternativa ma legata a quest'ultima, proposta per spiegare la presenza della vita sulla Terra così presto su un pianeta appena raffreddato, con un tempo per l'evoluzione prebiotica evidentemente molto ridotto, è che la vita si sia formata inizialmente su Marte. A causa delle sue minori dimensioni, Marte si sarebbe raffreddato prima della Terra (una differenza di centinaia di milioni di anni), permettendo processi prebiotici mentre la Terra era ancora troppo calda. La vita sarebbe poi stata trasportata sulla Terra quando il materiale crostale subì esplosioni a causa di impatti con comete e asteroidi. Marte avrebbe continuato a raffreddarsi molto velocemente divenendo ostile alla prosecuzione dell'evoluzione e anche all'esistenza stessa della vita (perse la sua atmosfera a causa di un blando vulcanensimo). La Terra sta andando incontro allo stesso destino, ma a minore velocità.

Nessuna delle ipotesi risponde in realtà alla domanda su come si sia originata la vita, ma semplicemente sposta la questione su un altro pianeta o su una cometa. Tuttavia, il vanataggio di un'origine extraterrestre della vita primitiva è che la vita non deve necessariamente essersi evoluta su ciascun pianeta per esservi presente, ma piuttosto da un singolo luogo da cui si sarebbe diffusa nella galassia ad altri sistemi stellari attraverso comete e meteoriti. L'evidenza a supporto della plausibilità del concetto è scarsa, ma trova dimostrazione nello studio recente dei meteoriti marziani ritovati in Antartide e negli studi sui microbi estremofili.^[25] Un ulteriore sostegno all'ipotesi viene dalla recente scoperta di un ecosistema batterico la cui sorgente di energia è la radioattività.^[26]

[modifica] Cultura, filosofia, religione e arte

Questa sezione sull'argomento religione e filosofia è solo un abbozzo. Se puoi, contribuisci ad ampliarla.

L'interrogativo di come abbia avuto origine la vita coinvolto molto la cultura umana e prima che la scienza elaborasse le teorie che oggi conosciamo, furono la filosofia e la religione le prime ad aver affrontato e tentato di fornire risposte a tale interrogativo. I miti della creazione permeano tutte le culture, e mantengono come punto in comune l'azione iniziale di un essere superiore, identificato con la divinità, e la mancanza di un processo evolutivo.

Secondo Platone, il mondo visibile sarebbe opera del Demiurgo, una sorta di divinità che avrebbe traslato il mondo perfetto delle idee nel mondo terreno imperfetto.

Anche varie opere artisitiche (letterarie, pittoriche, ecc.) hanno affrontato il tema dell'origine della vita. Ad esempio la Creazione del mondo è raffigurata nella Cupola della Genesi ed anche dai pittori del Rinascimento. Infatti, il Tintoretto eseguì a Venezia nel 1550 la sua "Creazione degli Animali", oggi conservata nelle Gallerie dell'Accademia. Questa pittura era per la Sala dell'Albergo della Scuola della Santissima Trinità. Vi si può vedere il Creatore in mezzo ad una brillante luce nella Terra ancora oscura dopo la creazione della Terra stessa nel secondo giorno; e si può ammirare la scena del quarto giorno: pesci, uccelli ed anche mammiferi. Raffaello Sanzio nel 1519 a Roma aveva già eseguito un bellissimo dipinto sulla creazione degli animali con lo stesso titolo del Tintoretto; esso è visitabile nella Loggia di Raffaello nel Vaticano. In esso gli animali sono tutti intorno al Creatore, anche gli animali mitici, come l'unicorno.

[modifica] Campi rilevanti

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• Astrobiologia è un campo che può far luce sulla natura della vita in generale, invece che solo su quella conosciuta sulla Terra, e dare indizi di come la vita si sia originata.
• Sistemi complessi

[modifica] Voci correlate

• Abiogenesi
• Abitabilità planetaria
• Astrochimica
• Biogenesi
• Creazionismo
• DNA
• Equazione di Drake
• Ipotesi delle terre rare
• Mimivirus Antichissimo virus gigante che potrebbe aver preceduto gli organismi cellulari.
• Mostro di Spiegelman
• Panspermia
• Storia della Terra
• Stuart Kauffman
• LUCA
• Zeolite

[modifica] Note

1. ^ http://www.abc.net.au/science/news/space/SpaceRepublish_497964.htm
2. ^ http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/mr_age.html
3. ^ http://www.nature.com/nature/journal/v409/n6817/abs/409175A0.html
4. ^ http://www.journals.royalsoc.ac.uk/content/01273731t4683245/
5. ^ http://geology.geoscienceworld.org/cgi/content/abstract/34/3/153
6. ^ http://www.journals.royalsoc.ac.uk/content/887701846v502u58/
7. ^ http://www.journals.royalsoc.ac.uk/content/814615517u5757r6/
8. ^ (EN) Articolo sul brodo primordiale su PNAS
9. ^ (EN) Aricolo Hazy origins of life on Earth su cosmos.com
10. ^ (EN) http://sciam.com/article.cfm?chanID=sa004&articleID=9952573C-E7F2-99DF-32F2928046329479
11. ^ Caprara, Giovanni (27 aprile 1997). Siamo nati in fondo agli oceani. Corriere della Sera: 23. DOI:http://archiviostorico.corriere.it/1997/aprile/27/Siamo_nati_fondo_agli_oceani_co_0_9704276909.shtml. URL consultato il 27 aprile 1997.
12. ^ Huber e Wächtershäuser, 1998.
13. ^ R. G. Cooks, D. Zhang, and K. J. Koch. Chiroselective Self-Directed Octamerization of Serine: Implications for Homochirogenesis. Anal. Chem. 2001, 73, 3646-3655
14. ^ Z. Takats, S. C. Nanita, and R. G. Cooks. Serine Octamer Reactions: Indicators of Prebiotic Relevance. Angewandte Chemie International Edition 2003, 42(30), 3521-3523
15. ^ PNAS, vol. 97, no. 23, 7 novembre 2000, p12503-12507
16. ^ Questa teoria è esposta nel libro, "The Cell: Evolution of the First Organism" di Joseph Panno Ph.D.
17. ^ Genetic Takeover: And the Mineral Origins of Life ISBN 0-521-23312-7
18. ^ (EN) http://ool.weizmann.ac.il/
19. ^ (EN) http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=528972
20. ^ (EN) http://www.science.siu.edu/microbiology/micr425/425Notes/14-OriginLife.html
21. ^ (EN) Il modello dell'ecopoiesi su ecopoese.bio.br
22. ^ [1]
23. ^ Conta dei crateri di Marte
24. ^ Polo sud di Marte: una «riserva d'acqua». Corriere.it. URL consultato il 20-03-2007.
25. ^ http://www.newscientist.com/channel/life/evolution/dn2844
26. ^ Lin, Li-Hung, Pei-Ling Wang, Douglas Rumble, Johanna Lippmann-Pipke, Erik Boice, Lisa M. Pratt, Barbara Sherwood Lollar, Eoin L. Brodie, Terry C. Hazen, Gary L. Andersen, Todd Z. DeSantis, Duane P. Moser, Dave Kershaw, T. C. Onstott (Ottobre 2006). Long-Term Sustainability of a High-Energy, Low-Diversity Crustal Biome. Science 314: 479-482. DOI:10.1126/science.1127376. 5798. URL consultato il 12 novembre 2006.

[modifica] Bibliografia

• J Brooks; Shaw, G.. Origins and Development of Living Systems.. Academic Press, 1973. 359 ISBN 0-12-135740-6
• Christian De Duve. Vital Dust: The Origin and Evolution of Life on Earth. Basic Books, Jan 1996. ISBN 0-465-09045-1
• Horgan, J (1991). In the beginning. Scientific American 264: 100–109. (Cited on p. 108).
• Huber, C. and Wächterhäuser, G., (1998). Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life. Science 281: 670–672. (Cited on p. 108).
• Martin, W. and Russell M.J. (2002). On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells. Philosophical Transactions of the Royal Society: Biological sciences 358: 59-85.
• Russell MJ, Hall AJ, Cairns-Smith AG, Braterman PS (1988). Submarine hot springs and the origin of life. Nature 336: 117.
• JW Schopf et al. (2002). Laser-Raman imagery of Earth's earliest fossils.. Nature 416: 73-76. PMID 11882894.
• John Maynard Smith; Szathmary, Eors. The Origins of Life: From the Birth of Life to the Origin of Language. Oxford Paperbacks, 2000-03-16. ISBN 0-19-286209-X
• Robert M. Hazen. Genesis: The Scientific Quest for Life's Origins . Joseph Henry Press, Dec 2005. ISBN 0-309-09432-1
• Vittorio Naso. Ipotesi meccanica sull’origine della materia vivente . Systema Naturae, 2004.
• Iris Fry. L’origine della vita sulla terra. Le ipotesi e le teorie dall’antichità a oggi. Garzanti, 2005.

[modifica] Collegamenti esterni

• Martin M Hanczyc e Jack W Szostak. Vescicole replicantesi come modelli della crescita e divisione cellulare primordiale. Opinione corrente in Biologia Chimica 2004, 8:660–664.
• "AUTO-REPLICAZIONE": Anche i peptidi la fanno" di Stuart A. Kauffman
• Sito web sulle origini della vita che include giornali, risorse, del Dr. Michael Russell all'Università di Glasgow
• Connessioni possibili tra la chimica interstellare e le origini della vita sulla Terra
• Gli scienziati trovano indizi che la vita iniziò nello spazio profondo — NASA Astrobiology Institute
• Cicli biochimici auto-regolati — di Leslie Orgel
• Come iniziò la vita: Una nuova ricerca suggerisce un approccio semplice
• Il brodo primordiale: gli scienziati replicano l'esperimento più famoso sull'evoluzione - articolo in Americano scientifico. 28 marzo 2007
• (EN) Rassegna stampa online dell'esplorazione su Marte

[modifica] Podcasts, video

• video Freeview 'L'origine della vita, di John Maynard-Smith' A Royal Institution Discourse by the Vega Science Trust
• Evolution and the Origins of Life - lettura di Harold Morowitz, George Mason University. 4 aprile 2007.

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