venerdì 2 dicembre 2011

IL BRODO PRIMORDIALE. Il primo mito: origine, aspettative e fallimenti

Post n. 3

Ma quando inizia la teoria del “brodo primordiale” (o prebiotico)?


Intorno al 1870 in una lettera ad un amico Darwin scriveva: «Se (ed è un se bello grosso) potessimo immaginare che in una piccola pozza calda, ricca di ammoniaca, sali fosforici, luce, calore, elettricità, ecc., si fosse formato chimicamente un composto proteico, pronto a passare attraverso cambiamenti ancor più complessi [...]».Ma la posiziona ufficiale di Darwin era ferma e chiara: allo stato attuale delle conoscenze non è possibile (ultra vires) formulare un teoria sull’origine della vita.
Ev1_03.jpg Aggregati molec. nel Brodo Prim.
Nel 1924 A. I. Oparin, che allora ricopriva la cattedra di Biochimica vegetale all’università di Mosca traduce quest’idea in una sorta di teoria scientifica e la pubblica in un libro: Origine della vita. Secondo Oparin sul nostro pianeta il carbonio era legato ai metalli sotto forma di carburi. Questi, venendo a contatto con vapore acqueo, hanno reagito dando origine a idrocarburi e per successive reazioni a tanti altri composti organici. Quando la temperatura sulla superficie della terra scese sotto i 100°C, l’acqua iniziò a condensare e tutti questi composti, contenuti nell’atmosfera, vennero trascinati in un “primitivo oceano bollente” dove iniziarono a reagire formando molecole sempre più grandi. L’aggregazione successiva di queste macromolecole avrebbe dato origine a particelle di gel, “coacervati”. I coacervati organici avrebbero assorbito e assimilato sostanze dall’ambiente e successivamente, dividendosi, avrebbero dato origine a “organismi primitivi” alcuni capaci di metabolizzare. Il processo evolutivo e la selezione naturale avrebbero dato origine, alla fine, a tutti gli organismi viventi.
Secondo Mario Ageno (Lezioni di Biofisica 3 1984), allievo di Enrico Fermi e collaboratore di Edoardo Amaldi, attento e profondo studioso di Biofisica: «L’idea fondamentale è certamente molto brillante e non perde il suo interesse neppure oggi. Ciò tuttavia non deve far dimenticare che una simile «teoria» passa sotto silenzio tutti i grossi problemi, tutte le più grosse sfide che l’idea di una origine della vita dalla materia inorganica per cause naturali pone alla nostra mente».
Ma anche Haldane, pur aggiungendo un’idea brillante, non va oltre.
Nel 1929 J. B. S. Haldane, senza conoscere le idee di Oparin, pubblica un breve articolo sull’origine della vita. Secondo Haldane l’atmosfera primitiva non conteneva Ossigeno ma, probabilmente, H2 (idrogeno), H2O (acqua), NH3 (ammoniaca), e CH4 (metano) come le atmosfere di Giove, Saturno e Urano. Molecole più complesse si sarebbero formate nell’atmosfera per effetto delle radiazioni solari. Questi composti organici, trascinati dalle piogge si sarebbero accumulati nell’oceano primitivo dove reagendo avrebbero formato molecole complesse dando origine ad un “brodo caldo diluito” e qui avrebbero avuto origine i primi organismi.
Il brodo caldo diluito fu subito tradotto in “Brodo Primordiale”; nata la metafora, inizia la teoria.

miller2.gif Schema dell'esp.di Miller
Intorno al 1950 con H. Urey e S. Miller inizia un programma operativo di ricerche. In particolare, utilizzando una miscela di gas simili a quella suggerita da Haldane, S. Miller con apporto di energia (scariche elettriche), riuscì a produrre amminoacidi, che sono componenti delle proteine, e molte altre sostanze organiche.
Sembrava quindi confermata la teoria di Haldane di un atmosfera primitiva priva di O2, della formazione, nell’atmosfera, delle sostanze fondamentali per l’origine della vita e la loro raccolta in un “Brodo Primordiale” dove si sarebbe originata la vita.
Nasce in questo periodo la chimica prebiologica che si propone di individuare, oltre agli amminoacidi già scoperti, la formazione delle molecole fondamentali per l’origine della vita e la loro sintesi in un ambiente simile a quello della terra all’epoca della comparsa della vita. La scoperta sollevò un grande entusiasmo tra gli scienziati e sembrava che, ben presto, si sarebbe riusciti a svelare il mistero della vita. Ma i grossi problemi, passati sotto silenzio da Oparin e Haldane nella teoria del brodo prebiotico, risultarono insormontabili.
Ma quali sono, infine, i grossi problemi che la teoria del brodo prebiotico passa sotto silenzio?
Nel precedente articolo: “Origine della vita: miti e prospettive”, questi problemi sono già stati descritti e illustrati. In questo articolo li riprendo, eliminando le illustrazioni, ma aggiungendo, in colore, qualche commento di autorevoli scienziati e le soluzioni, dove esistono, che la teoria del brodo primordiale propone.
1) I primi organismi non potevano far a meno di due macromolecole fondamentale: proteine e acidi nucleici (forse l’RNA). I nucleotidi, costituenti degli acidi nucleici, sono composti da fosfato, ribosio e basi azotate. Ribosio e basi organiche non sono stati mai trovate in esperimenti tipo Miller, anche se alcuni ricercatori si affannano a rendere credibili alcuni esperimenti. In “Polvere Vitale” Christian De Duve in proposito precisa: «[…] i chimici hanno avuto un certo successo nella produzione dei cinque componenti dell’RNA, ma con scarso rendimento ed in condizioni ad un tempo molto diverso da uno scenario prebiotico e diverso per ogni sostanza. Volendo combinare i componenti nel modo giusto ci si imbatte in altri problemi, di tale grandezza, che nessuno ha mai tentato di farlo in un contesto prebiotico».
Quindi gli acidi nucleici nel brodo prebiotico erano assenti.
2) Come illustrato nell’articolo “Origine della vita: miti e prospettive”, le molecole degli amminoacidi, componenti delle proteine, esistono sotto due forme , Destro e Levo, e sono una l’immagine speculare dell’altra. Se si preparano gli amminoacidi in laboratorio, per esempio l’Alanina, ciò che si ottiene è 50% di Alanina Destro e 50% di Alanina Levo. Anche gli amminoacidi scoperti da Miller nel suo ormai famoso esperimento erano metà Destro e metà Levo, e cosi anche gli amminoacidi trovati nei meteoriti. Quindi nel mondo prebiotico gli amminoacidi dovevano essere metà D e metà L.
La questione è che, le proteine di tutti gli organismi viventi sono costituite da amminoacidi Levo. Come è stato possibile e che fine ha fatto il Destro? Forse leggere fluttuazioni hanno favorito leggermente l’amminoacido Levo. Ma Secondo Dickerson(Le Scienze; Gli albori della vita, 1984):«[…]può darsi che, in un certo periodo vi sia stata una vita primitiva, o dei precursori di questa, basata sia sugli Amminoacidi D sia su quelli L con una probabilità del 50% e che, alla fine, prevalessero sugli altri gli amminoacidi L».
È già difficile immaginare l’origine di una vita primitiva, immaginarne due, una Destro e l’altra Levo, è veramente arduo.
3) Gli amminoacidi che compongono la nostre proteine sono solo 20, ma negli esperimenti di Miller sono stati trovati ca 60 amminoacidi diversi. Come è avvenuta tale la scelta e perché solo 20 amminoacidi? La spiegazione prevalente è quella più ovvia: vi furono false partenze che si estinsero perché non poterono competere con le linee che invece sopravvissero.
4) Le reazioni tra amminoacidi per la sintesi delle proteine avvengono tutte con eliminazione di H2O. In ambiente acquoso, cioè nel Brodo Primordiale, questa reazione è praticamente impossibile. Secondo S. Fox le proteine si sarebbero formate in prossimità dei coni vulcanici a temperatura di 200°C e solo successivamente sarebbero state dilavate dalla pioggia e raccolte nel brodo dove si sarebbero formate microsfere resistenti all’azione demolitrice dell’acqua. In alternativa si è immaginato che il brodo primordiale fosse in realtà una pozza d’acqua in prossimità dell’oceano e soggetta a continua evaporazione. Si è anche pensato di risolvere il problema immaginando reazioni secondarie tra amminoacidi con composti ricchi di energia ma questi passaggi moltiplicano enormemente il numero delle reazioni. Per ottenere un polimero di 40 amminoacidi sarebbero state necessarie centinaia di reazioni, e questo appare poco credibile.
In definitiva la questione è ancora aperta.
5) L’atmosfera primitiva sicuramente non conteneva O2 (Ossigeno) e quindi lo scudo di O3 (Ozono) era assente. I raggi ultravioletti, in quantità maggiori di quelli attuali, raggiungevano la superfice della terra. In un primitivo oceano, essi raggiungeva la profondità di 10 metri. Diffusione, agitazione termica e correnti, avrebbero prima o poi portato tutte le sostanze organiche in questa fascia e sarebbero state distrutte.


bocche idrotermali.jpg univeronline.it

Per risolvere questo problema si immagina che i primi organismi si siano originati ancorati al fondo di lagune poco profonde non molto superiore dei 10 metri. Per alcuni ricercatori il problema non esiste, in quanto la vita avrebbe avuto origine nei fondali oceanici in prossimità delle bocche idrotermali.
Ora, è evidente a chiunque che tutte le ipotesi fatte per colmare queste lacune, sono in realtà delle modificazioni ad hoc, spesso anche in contraddizione tra di loro e senza alcuna possibiltà di verifica sperimentale.
In “Le radici della biologia” Mario Ageno scrive: «Possiamo quindi dire che all’inizio degli anni ’80 la ricerca sull’origine della vita è entrata in crisi».
In realtà si può dire che, non avendo le ricerche scalfito neanche in superfice questi problemi, il bilancio della teoria del brodo prebiotico è un bilancio fallimentare e così dopo i primi 30 anni siamo ancora agli esperimenti di Miller.
Ma nel 1983 una grande scoperta rivitalizza la teoria del brodo prebiotico. Cech e Altmann scoprono i “Ribozimi”.
Gli acidi nucleici e le proteine (enzimi) sono macromolecole fondamentali per gli organismi viventi e senza dubbio in un primitivo organismo essi non potevano mancare. Ora, mentre gli acidi nucleici contengono l’informazione genetica per il montaggio delle proteine, queste ultime sono necessarie per il montaggio degli acidi nucleici. Acidi nucleici e proteine sono cioè interdipendenti, gli uni hanno bisogno degli altri. È ciò che in Biofisica viene denominato “il problema dell’uovo e della gallina”, chi è comparso per prima?
Thomas R. Cech e Albert Altmann scoprirono che alcuni tipi di RNA (Acido Ribonucleico) sono capaci di comportarsi sia come acidi nucleici che come enzimi (cioè sono uovo e gallina insieme) e li hanno chiamati “Ribozimi”. Nacque il “mondo a RNA”, cioè si è pensato che la vita avesse avuto origine, nel brodo primordiale, attraverso la sintesi di una molecola di RNA auto replicantesi e che questa, evolvendosi, abbia imparato a sintetizzare le proteine.
Anche il “mondo a RNA” sollevò un grande entusiasmo, ma i grossi problemi sopra elencati sono stati passati ancora sotto silenzio, e così dopo circa un decennio e malgrado i contributi di tanti eminenti ricercatori il “mondo a RNA” si rivelò, per la teoria del brodo prebiotico, un altro fallimento. Verso la metà degli anni ’90 Christian De Duve sintetizza: «È onesto dire che non è stato ancora trovato alcun meccanismo in grado di spiegare in modo soddisfacente la sintesi prebiotica dell’RNA, nonostante sforzi considerevoli compiuti da alcuni fra i migliori chimici del mondo. Persino i più fedeli difensori del mondo a RNA hanno espresso opinioni pessimistiche sulle future prospettive di questa linea di ricerca».
E allora cosa si fa?
Si elabora una soluzione ad hoc. Alcuni scienziati l’hanno già confezionata: prima del “Mondo a RNA” forse esisteva un “Mondo preRNA”.
Questa continua ricerca di soluzioni ad hoc dimostra solo che all’inizio del nuovo millennio la teoria del brodo prebiotico è in profonda crisi.
La ricerca sperimentale ha evidenziato, in conclusione, che nel brodo prebiotico la vita non può aver avuto origine e quindi il brodo prebiotico non è mai esistito.
E allora oggi, sull’origine della vita, quale è la teoria più accreditata?: La teoria del brodo prebiotico.
Ora è lecito chiedersi: come mai a 90 anni dalla sua elaborazione e dopo sessant’anni di fallimenti sperimentali si insiste ancora con la teoria del brodo prebiotico?
Negli anni e fino ai nostri giorni il brodo prebiotico è passato, da pozza ad oceano, poi a palude per ritornare ,con l’aiuto dei vulcani, ad oceano, successivamente è passato nuovamente a pozza calda in via di evaporazione per ritornare ancora oceano ma nei fondali oceanici in prossimità delle bocche idrotermali, mentre nel “mondo a RNA” non è dato capire bene di cosa si tratta (bacini idrici).
John Horgan in un suo articolo (Le Scienze, quaderni n.89) scrive: «Nessuna di queste teorie è tanto credibile da potere essere considerata un paradigma ma, d’altra parte, nessuna è stata dimostrata falsa, e ciò infastidisce Miller, un personaggio noto per essere un rigoroso sperimentatore, ma anche una persona piuttosto intransigente». Se Miller ha provato solo fastidio, oltre alle virtù sopra elencate doveva essere anche una persona mite; in pratica si elaborano delle teorie poco credibili e poi si chiede ad altri di dimostrare che sono false.
Ma che scienza è questa?
E Horgan continua: «Questo modo di procedere, protesta Miller, alimenta la convinzione che dell’origine della vita si interessi una frangia marginale del mondo scientifico, in quanto disciplina non degna di una ricerca seria».
Da questa affermazione si può solo dedurre che non ci sono istituzioni che pagano ricerche serie e di lungo respiro sull’origine della vita e ciò che viene pubblicato è solo frutto di una ricerca marginale.
Ma che cosa si intende per marginale?
In “Polvere Vitale”, a proposito delle teorie sull’origine della vita, Christian De Duve afferma: «Quel che invece abbiamo è una varietà di teorie, influenzate dalla specializzazione scientifica, dagli atteggiamenti filosofici e dalle propensioni ideologiche dei loro autori».
Ed è come dire che una teoria viene elaborata quando un ricercatore, a margine del proprio campo di ricerca, scopre un indizio che lo collega al problema dell’origine della vita. E così gli astrofisici pensano che la vita proviene dallo spazio e trovano gli alieni anche sulla Terra. I genetisti danno per certo un “mondo a RNA”, dimenticando che si tratta solo di un mondo ipotetico. Coloro che si occupano di metabolismo privilegiano l’origine delle proteine. Naturalmente chi ha scoperto le bocche idrotermali sostiene che la vita ha avuto origine nei fondali oceanici. E tutti coloro che sono sconcertati dal risultato delle ricerche e gli evoluzionisti, preferiscono speculare rispolverando la parola “magica”: il caso.
Secondo Paul Davies in “Da dove viene la vita”: «Molti ricercatori fanno fatica ad ammettere in pubblico che l’origine della vita è un mistero, anche se a porte chiuse confessano il loro sconcerto. Tale disagio sembra derivare […] dalla paura di aprire le porte ai fondamentalismi religiosi e alle pseudo spiegazioni fornite dal “Dio delle lacune”».
Che il brodo prebiotico venga anche considerato, da alcuni, una specie di fortezza da difendere?
E così tra fallimenti e paure il brodo primordiale è diventato un mito, dove sta annegando la ricerca sull’origine della vita.

                                                                      Giovanni Occhipinti


                                                             
Chimica prebiotica ed origine della vita
http://www.lampidistampa.it/
http://www.ibs.it/
in libreria: ISBN 978-88-488-1097-5



 
 
 
 
 
 

16 commenti:

  1. Gentile Professor Occhipinti, mi piacerebbe sapere che ruolo secondo lei ha avuto la ionizzazione degli elettroni nella chimica prebiotica. Può essere servita a creare sostanze organiche, agendo assieme con i cambiamenti climatici stagionali di caldo/freddo, cioè cristallizzazione e rielaborazione? La ringrazio per quanto vorrà indicarmi, Luca.

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  2. Caro Luca, sul clima del pianeta di 3,5 miliardi di anni fa non sappiamo nulla. Sull'origine delle sostanze organiche in un possibile ambiente prebiotico l'unico dato che abbiamo è l'esperimento di Miller (cioè piccole molecole come aldeide formica ,ac. cianidrico e amminoacidi). Altre sostanze che alcuni autori citano (per dare un sostegno alle loro idee)sono solo sintesi di laboratorio (vedi A.Graham Cairns-Smith). Non so cosa intendevi dire con "ionizzazione degli elettroni",se vuoi chiarirmi,Giovanni

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  3. Gentile Professore, aderendo all'ipotesi di Cairns-Smith, io pensavo che ioni circolino tra sottili strati di argilla e possano, magari aiutate da qualche agente, dar luogo a strutture repiclative, aiutate in questo anche da alternarsi di caldo e freddo.

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  4. Caro Luca,intanto in un prossimo commento puoi darmi tranquillamente del tu. Cairns-Smith usava i termini caldo-freddo per spiegare, attraverso processi di saturazione-iposaturazioni-soprassaturazioni la rimodulazione dei cristalli di argilla. La sua teoria, in sintesi, è che questi cristalli di argilla erano portatori di informazione e su di essi si sarebbero sintetizzati acidi nucleici
    "usurpandone" l'informazione; cioé, in defitiva, prima degli organismi organici sarebbero esistiti organismi inorganici. Certamente è un'idea originale e nulla può essere escluso. Non spiega però come si sarebbero formate le basi azotate, il ribosio, i nucleotidi(tralascia anche la questione dell'asimmetria). Io aderisco all'idea di J.D.Bérnal secondo cui le argille avrebbero avuto la funzione di selezionare,accumulare e proteggere le sostanze fondamentali per l'origine della vita e successivamente sintetizzare le macromolecole. Quest'ultimo ruolo è stato svolto, secondo me, dalla silice colloidale. Saluti Giovanni

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  5. Caro Giovanni, ho due domande per te: 1) Intendi che la silice colloidale, secondo te, ha avuto il ruolo che Cairns-Smith assegna all'argilla? 2) Dicevi che non si sa nulla dell'atmosfera di 3,5 miliardi di anni fa. Ma guardando i pianeti simili alla terra extra-solari in formazione, non si potrebbe avere qualche indizio spettrografico?
    Ti faccio i miei più cari auguri di Buone Feste, Luca.

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  6. Caro Luca, hai centrato la questione, come ho anche scritto nel mio libro, la silice colloidale è per me l'armatura cui fa riferimento Cairns-Smith.
    I pianeti purtroppo non emettono luce propria (anche quelli in formazione) e quindi non possono essere osservati.Essi vengono identificati perché il loro movimento provoca delle oscillazioe alla stella attorno a cui ruotano.
    Buona continuazione delle feste e Felice Anno Nuovo. Giovanni

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  7. Caro Giovanni, ho ordinato il tuo libro, che mi leggerò con calma. Intanto ti rinnovo i miei saluti e ti chiedo se non sia possibile eseguire un esperimento "alla Miller" con la silice colloidale. (Conosci anche le ricerche di Szostack sulla fabbricazione di cellule "sintetiche"?) A presto, Luca.

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  8. Questo commento è stato eliminato dall'autore.

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  9. Luca, anche Szostak parte dal presupposto che in epoca prebiotica esistevano i nucleotidi e qualche molecola di RNA, secondo me si passano ancora sotto silenzio i veri problemi: Come si sono formati?
    Certamente, se si riesce a realizzare gli esperimenti di Spiegelman, Sumper e Orgel dentro un compartimento sarà un fatto importante. Penso che queste ricerche, possono dare un contributo a comprendere meglio gli acidi nucleici ma non ci saranno di nessun aiuto per l’origine della vita. Comunque, nel mio libro ho illustrato alcuni esperimenti e dedicato un capitolo intero al “mondo a RNA” fammi sapere cosa ne pensi. Ti ringrazio per Google Friend Connect, volevo farlo prima ma cliccando non mi dava nessun riferimento. Un caro saluto e Buon Anno.

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  10. Caro Giovanni, dal tuo blog e sopratutto dai tuoi commenti, mi sono fatto l'idea che non ci sia attualmente niente che si possa dimostrare sull'origine della vita. Questo mi fa abbandonare il campo anche se era affascinante. Leggerò comunque il tuo libro. Ti ringrazio, un caro saluto, Luca.

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  11. Ciao Luca, quando si formula una nuova ipotesi bisogna sempre spiegare per quali motivi si deve abbandonare la vecchia ipotesi. Mi dispiace di averti scoraggiato, ma prima di abbandonare il campo leggi il mio libro e se ne hai voglia dammi tranquillamente un tuo parere. Sull’origine della vita ci sono due livelli:
    uno riguarda la chimica prebiotica, l’altro il passaggio dalla materia inanimata alla vita. Secondo me questo secondo passaggio e talmente complesso che una sola mente non può farcela da solo a comprendere come possa essere avvenuto. Per questo ho aperto nel Blog la pagina Forum. Ci vuole il contributo di parecchi cervelli messi insieme e non solo chimici o fisici, ma anche matematici, letterati, psicologi, studenti con le loro idee che possono sembrare illogiche, ingenue o bizzarre, e anche le idee semplici di gente comune che ha la mente libera da troppi fronzoli. Un caro saluto Giovanni

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  12. E se la domanda sull'origine della vita fosse mal posta? In questo caso: La vita nell'universo è SEMPRE esistita. Ciò ha più a che fare con la fisica, in cui Godel ed Einstein erano d'accordo che il tempo non esiste, è solo una dimensione immaginaria di comodo. Ci sono solo configurazioni spaziali in continuo cambiamento... Poi leggerò il tuo libro e ci risentiremo, intanto un caro saluto, Luca.

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    1. Luca se,dopo aver esplorato tutte le vie possibili, la ricerca sperimentale darà esiti negativi, ciascuno sceglierà la teoria in funzione della propria visione del mondo. Dal disegno intelligente agli extraterrestri, dal principio antropico all'inesistenza del mondo reale perché stiamo vivendo solo una realtà virtuale ecc. Un caro saluto e a presto, Giovanni

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  13. Caro Giovanni, lasciando perdere le mie ultime facezie, vorrei dirti che mi è arrivato ieri il tuo libro. E' molto interessante e molto importante. Ho dato una rapida lettura: mi occorrerà tempo per leggerlo con attenzione pagina per pagina. Così, ad una rapida occhiata, mi sembra un libro solido dalle conseguenze importanti. Mi piacerebbe ripetere il tuo esperimento con il quarzo, mettendolo dentro un vetro fatto di silice e oro colloidale. Ho letto che uno scienziato giapponese dell'università del queensland ha dimostrato che la luce, in particolare quella ultravioletta, passando per questo vetro rosso, produce vibrazioni che uccidono i composti volatili tossici (VOCS). Ma quello che mi è piaciuto di più del tuo libro è la spiegazione che ipotizzi della sola presenza della struttura sinisorsa degli aminoacidi. Complimenti. Fai onore alla ricerca. Un caro saluto, Luca.

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    1. Caro Luca, io non ho più un laboratorio dove poter continuare i miei esperimenti. Il mio apparecchio costruito con i miei soldi si trova adesso nella mia cantina di casa.
      Cordiali Saluti, Giovanni

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  14. la notizia delle nanoparticelle d'oro che ionizzano purificando l'aria, in inglese è:Air-purifying church windows early nanotechnology

    Stained glass windows that are painted with gold purify the air when they are lit up by sunlight, a team of Queensland University of Technology experts have discovered.

    Associate Professor Zhu Huai Yong, from QUT's School of Physical and Chemical Sciences said that glaziers in medieval forges were the first nanotechnologists who produced colours with gold nanoparticles of different sizes. selezionando le parole chiave del testo si può risalire al link. Una ditta che produceva vetro rosso fabbricato con oro colloidale è la New England Glass Company, su ebay.com se ne trovano esemplari in vendita. Luca.

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