lunedì 15 aprile 2013

THE ALIENS, US, MATTER: but is another life possible?

Post n. 9 English


Iris Fly in “L’origine della vita sulla terra” 2005, in the chapter “L’emergere della vita né per caso né per disegno” writes: «[…] chance and telos the two  horns  of a false dilemma , converge philosophically. The true conflict is between chance and intentionality on the one hand and a physic-chemical process on the other hand»
That the origin of life was a chance or the work of an Intelligent Design, is a just and legitimate thought. The probable physic-chemical process, is however bogged down by some trap which hides itself in the folds of this vision. Yet, behind the shield of the difficulty of giving an exact definition of life, and behind the shield of physical-chemical which cannot be excluded a priori, absurd theories are often elaborated and without any data to sustain them. Certainly, these also are legitimate, but they drag the argument too at length on philosophical questions which often make one lose the central problem.
 Life is ourselves, and is alive all that which uses the same materials of which we are made. Life is ourselves, and is living everything which is recognized as living today. Our object of study is the origin of this life, and if someone has difficulty in recognizing a living being, he may the ask a peasant.
However, the old theories based on myths, dogmas and   ideology have silenced some facts and generated inexistent scenarios. In the end, extensive prejudices have transformed the quagmire into a marsh. And then, to go out of the marsh and construct a new theory it is necessary to make the last step: to open Pandora’s vase. We shall extract many ashes, few certainties, and some questions, but hope itself will come out. And one must be honest; if the physic-chemistry does not succeed in giving explanations, it is best to admit it clearly because, as Paul Davies writes, ignorance is a motivation for research much stronger than certitude.
Stephen J, Gould, with reference to the contribution of chance in evolutionary processes, coined an efficient metaphor: every repetition of the film of life would leave evolution in a way very different from that taken in reality. We shall use this metaphor to construct pieces of film to be put together at the end of our way.
That crazy Empedocles: «[…]at the end, they say, he died by jumping into the Etna crater to prove that he was a God. In the free interpretation of the poet Matthew Arnold:

The great Empedocles, that ardent soul,

Jumping in to Etna, was entirely burned  ».

(Bertrand Russell, Storia della filosofia occidentale, 1° volume Filosofia Greca,1968).
During my university studies, I made part of a group of friends fascinated by the Etna. How many excursions and overnight stays and how many times we saw the lava boiling in the central crater or running in torrents during the eruptions. But I do not remember ever having seen little red men.
In the debate opened already for a time, if life exists in space, a problem immediately emerges: if there exists life in space, that is based on the same chemical elements and the same organic substances? Or else there could be a life very different from ours, that is based on different elements?
Iris Fly in “L’origine della vita sulla terra” 2005, evokes the ideas of Shapiro and Feinberg. These authors suggest that the definition of life should exist independent of local characters of life on earth. They affirm that the life is the activity of the system highly ordinated in matter and energy, characterized by complex cycles which maintain or augment gradually the order. Life should hence be innate inside matter. They affirm hence possible also a life founded on silicates. In particular, because at 1000°C silicates become liquids, in a planet near the sun or inside our planet, a life could have evolved founded on silicates.                                      
And if the little red men had been seen by Empedocles   before burning! 
Naturally those who imagine completely different ambiances   could not  be lacking.
Titan Saturn’s satellite, seems to have an ocean of liquid hydrocarbons at the temperature of -180°C where islands of frozen water float. According to Goldsmith on Titan could have evolved a life based on hydrocarbons.
We are life and that which we recognize as living, and the almost totality of scientists think that there cannot be an origin without atmosphere, energy and liquid water. The facts which sustain such a hypothesis, studied by various scientists, are so ample and consistent that they could be the subject of a book. Serious arguments against this hypothesis are not known. Now, to propose absurd scenes, without any scientific basis and then find an alibi behind the usual passe-partout phrase “it is not possible to exclude such a possibility” is not serous. It is like saying that the Lunatics inhabit the other side of the moon so as to be invisible for the inhabitants of Earth.
Land, Air, Fire and Water these are the four “elements” which mixing together can produce the various complex substances which we find in the world. And hence also the substances for the origin of life. But Empedocles with is four elements was right? Also the land  as he intended it, that is like land masses, is indispensable to the origin of life? Or is it possible that life can also surge on a planet yes rocky, but with his surface completely covered with water more or less liquid?
It is calculated   that the galaxies in the universe are over 200 Milliards. Our galaxy contains 100 Milliards of stars. The number of planets in the universe seems to be of the order of 1018. It is hence difficult to think that Earth is the only planet which can bear life. As it has been synthetically exposed in the precedent article A), all the chemical elements were produced by evolution and by the collapse of the massive stars. The final explosion of such stars has dispersed the elements produced into space. Successive aggregations and reactions of such elements they give origin to clouds of gas and dust which have given origin to solar systems. Hence in a general line we can say that, all the solar systems of the universe, have at their disposition the same chemical elements which life on our solar system has had.
Yet, in spite of having at disposition 92 natural chemical elements, living organisms for the 96% of its weight uses only 4 of them: H (Hydrogen), O (Oxygen), N (Nitrogen), C (Carbon), to which one must add small percentages of P (Phosphorus) and S (Sulphur). Taken together these 6 elements are called “biogenic elements”. They gives origin to all the fundamental molecules of living matter. From the synthesis of these molecules have their origin all the polymers necessary to the origin and the evolution of life.
But why such a choice? And also, are other solutions possible?
We start for the time being with the ascertainment that living organisms to carry out their function need various stable and complex macromolecules.
The problem was treated around the ´60’s by Wald, Calvin, Pauling and Coulson. A synthesis of such works can be found in “Lezioni di Biofisica 3”, 1984 of Mario Ageno. Also Iris Fly “L’origine della vita sulla terra” 2005, has amply treated the argument quoting the work of Pauling, Fox and Dose, Gibor. From these two essays come, in synthesis, the following conclusions.
According to these researchers the biogenic elements present unique characteristics, which renders them adaptable to take over the numerous  biological functions in living organisms.
As known, the electronic structures of the noble gases are, from an energy point of view, less stable. Carbon, for example has 4 electrons in the  second orbit whereas Hydrogen has only 1 electron in the first orbit. When these elements link one with another, they put together the electrons attaining the electronic structure of the closest noble gas. These hence give origin to very stable bonds. It is that which happens with methane, Carbon attains the stable configuration of Ne (Neon) and Hydrogen the electronic configuration of He.
Another reason is that these elements have very small atoms and when they link, their interatomic distances are very reduced and the bonds stronger. This contributes also to the stability of the compounds.
It is more over necessary to add that Carbon has a unique property: its atoms can link  one with another forming long chains more or less ramified and ring structures. These linking with Hydrogen, or with Hydrogen and Oxygen, or also with Hydrogen, Oxygen and Azote, give origin to an enormous number (over a million) of compounds, which permit the great variety of living organisms.
Carbon besides can give origin also to double links or triple.
In the economy of living organisms, the multiple bonds are very important because from them it is possible to extract energy. In the double or triple bonds the second and the triple bond are energetically weaker than a single bond. Hence when in a reaction the second or the third bond is broken, to give origin to single bond, much more stable, energy is liberated.
It has often been asked if some other element could substitute carbon.
In the periodic table of elements, Silicon (Si) is under Carbon and contains, like Carbon, 4 electrons in the last orbit which give origin to four bonds. Moreover Silicon is an abundant element in the universe and in particular on our planet. It realizes with Oxygen and with some metals such as Sodium (Na), Calcium (Ca); Magnesium (Mg), Iron (Fe), and Aluminium (Al) a large number (thousands) of various and complex compounds, which constitute over 90% of the Earth’s surface.
But Silicon can substitute Carbon?
Meanwhile we can ascertain that the bond


Has a bond energy of about 80 Kcal/Mole, whereas the bond


Is much weaker, about 40 Kcal/Mole and hence the compounds of silicon are much less stable.
Carbon gives origin to hydrocarbons, compounds very stable of carbon and Hydrogen (CH4, CH3-CH3, etc.) and Hydrocarbon chains are incorporate in important compound for living organisms like the fatty acids. Also Silicon gives compounds with Hydrogen, (SiH4, SiH3-SiH3, etc.), these however are unstable, they flame spontaneously in air, they decompose in water and they are no use for living organisms.
If we take into consideration the two oxides CO2 and SiO2, the CO2 (Carbon dioxide) is a gas molecule which, with water and light, is used by the photosynthetic organisms in the photosynthesis. The SiO2, even if it is written in this way, in fact does not exist as a molecule. The Silicon bonds with Oxygen forming solid polymeric structures (Quartz), very hard which  melt at high temperature.
  When one writes the formula SiO2, one intends only the medium formula of these polymeric structures. It is hence clear that the SiO2 could never substitutes CO2. Silicon, like any other element, is unadapted in the substitution of Carbon and it is impossible to understand in what planet and under what ambiance conditions such organisms could function.
With reference to Silicon, Mario Ageno (Lezioni di biofisica 3, 1984), adds: «[…] Silicon is completely unadapted as construction material for living organisms[…]».
In “Gli elementi chimici della vita” Le Scienze ottobre 1972, and republished by  Alessandro Minelli in “Gli albori della vita”, Le Scienze 1984 Earl Frieden, at the point at which he treats the assumptions of selection, affirms: «The second circumstance is linked to the chemical properties of Carbon, the element which has been selected, by evolution, in preference to Silicon».
This common prejudice, which came out in those years, of wanting to extend evolution by natural selection even to stones, contributes in creating a quagmire around the problem of the origin of life, and it does not help Darwin’s theory.
But of what evolution are we speaking? Here there has been no selection. Life, for its origin, between Silicon and Carbon, has not had any choice: the passage was obliged.
Studios, than extended to Phosphorous and Sulphur, have shown how also the properties of these elements are unique and hence they cannot be substituted by other elements. Phosphorous, in particular, present characteristics both in the construction of the nucleic acids and in the control of energy transfers.
Hence we can conclude that, because of the particularity of their atomic structure, the biogenic elements are the only ones which, through their compound, are adapted to carry out, in living organisms, the numerous biological functions. The matter does not give us another solution: the passage was obliged.
On the other hand, because the laws of physics and chemistry are universal if, given some conditions, in other solar systems, life manifests itself, it uses the same biogenic elements which are used by living organisms on Earth.

 On our planet.

About phosphorus!

As we have seen in the last article (Prebiotic chemistry: rules or chaos, C), one thinks that in the prebiotic era the concentration of phosphates, in waters, was like the actual one, about 30µg/L (30 millionth grams for litre). That because one esteems that at that epoch, in terms of acidity or basicity, the waters were as now around neutrality, but at those times buffered by aluminium silicates, produced on firm land by the cycle of water. In such conditions the minerals of phosphorous of volcanic origin, the apatite, are very little soluble.

The scarce supply of phosphorous torments principally those who sustain  the “RNA World”. The nucleotides, constituents of the RNA contain phosphorous and a low concentration of this element causes an insurmountable limit to their vision of the origin of life on our planet. Because the apatite are soluble in an acid ambience, to resolve the problem, Christian De Duve (Polvere vitale, 1998) proposed that perhaps the primordial waters in which life had its origin were acid waters. Other scientists have proposed the origin of life near the volcanoes. We are still in the presence of ad hoc solutions, with ideas who have no proof, localized and temporal in the end fortuitous.
However, the problem of phosphorous, which came up between the supporters  of the “RNA World”, remained on the whole there, like one of the general difficulties for the origin of life and it has contributed to increase the quagmire around the problem of the origin of life.
But can we give a meaning to the fact that an element, the phosphorous, which controls the energetic lever of living organisms, is present with an almost insignificant concentration?
In other words, the low concentration of phosphorous was a problem or an opportunity?
All modern living organisms divide themselves in autotrophic and heterotrophic. The autotrophic nourish themselves independently, like for example algae and green plants, which starting from CO2, H2O and light synthesize themselves the substances which they need. The heterotrophic nourish themselves of autotrophic or of the alimentary chain which is generated by them. Autotrophic and heterotrophic live together in a spectacular and harmonious equilibrium.
But what maintains this equilibrium?
Around the years ’70 was unwittingly conducted an experiment almost planetary.
The wellbeing that in those years, at least in the west, was consolidating in society, caused an abundant use of synthetic detersives. To neutralize the effect of Calcium and Magnesium contained in the water, and to increase its rendering ,to soaps were added soluble phosphates. At that period the urban wastes were canalized into lakes, into rivers and into the sea.

As we have said before, phosphorous is fundamental in reactions of energetic transfer it is the energetic lever of growth and evolution. What happened in those years? The phosphorous contained in the detersives breaks the equilibrium of the ecosystem.

The excessive concentration of phosphorous, in particular in lakes, caused the proliferation and growth of some types of weeds  which invaded the whole ambiance.
The following development of micro weeds, caused the total   consummation of oxygen which caused the death of all fish. When the oxygen was consummated, the processes of demolition caused the development of microorganisms which produced methane  and sulphuric acid. The phenomenon, called eutrophication, caused the death of the lakes. Even if it was not true death. Life in the lake continued, but it was a life almost exclusively of a vegetable type and anaerobic microorganisms.
To observe in that period the lake of Lugano was painful to all, but it was still more painful for a chemist.
What conclusions can we make from this experience?
It seems that the low concentration of phosphorous is one of the factors which maintains the equilibrium between living organisms at a planetary level. It slows down the growth of the autotrophic, gives time to the heterotrophic to recuperate the retard in nutrition, and forces all living organisms to have the same starting tape for the evolution run.
And here, it is fundamental to point out what was quoted by Stephen J. Gould and Elisabeth S. Vrba in “Exaptation” 2008: «The development of the bones has been an event of great importance in the evolution of the vertebrates. Without bones vertebrates could not have later occupied firm land. […]. Pautard (1961,1962) has observed that all the organisms who have much muscular activity need an escort of phosphates accessible with a certain ease. […], Halstead (1969)suggested the following scenario: the phosphates of Calcium, which deposit on the skin of the first vertebrates, evolved at first as an adaptation to store  the phosphates necessary for metabolic activity. Only in a second period subsequent in evolution the bones substituted the endoskeleton cartilaginous and assumed the function of support for which they are today known. Hence, the bone has two principal functions: support/protection and reserve/homeostasis (as reserve of some mineral ions, including phosphates). […] According to Halstead’s analysis, the accumulation of phosphates in the corporal tissues evolved at the beginning as an adaptation for a function of warehousing and metabolic». Hence, in conclusion, the scarce concentration of phosphates also generates strategies of survival which trigger off colossal evolution processes.
Certainly these conclusions need more confirmation. For the time  being we have two facts which permit us to extrapolate such consideration to the origin of life.
As we shall see, during the prebiotic phase a great number of organic substances had their origin, some of which had a high content of energy, and progressively accumulated on the surface of the earth. It is logical to think that the first living organisms were heterotrophic, that is they used these substances as nutrition.
The availability of phosphorous, on our planet must have been scarce already in the prebiotic era. This to avoid, for the life which had just begun, that one or few populations, more agile in taking possession of phosphorous, would acquire an advantage invading the whole earth. Hence, probably, a problem phosphorous never existed and the low concentration of phosphorous was an opportunity for evolution.

And about silicon!

The unique properties of the biogenic elements can give origin to an enormous number of organic compounds and polymers necessary to the origin  and to the evolution of life. During the process of evolution of the living organism, life has however co-opted many other elements present in the ambiance. The greater part of these elements has the capacity of losing or gaining electrons, that is they become ions, and as such they can be used. Among the elements co-opted there is also silicon, but for marginal function like in diatom and in the bones and in the plumes of volatiles.
The exclusion of silicon seems incomprehensible if one takes count of the fact that this element is abundant on our planet, and its compounds cover more than 90% of the earth’s surface.
This question was asked also by Earl Fieden (the article has been quoted): «If we pause on the fact that silicon, over and above being second in abundance on the earth’s surface, manifests an analogy with carbon in many chemical properties, it appears rather difficult to understand the reason why evolution would have completely excluded it from an essential biochemical function».
In the meanwhile it is probable that Silicon was excluded just because of its analogies with Carbon.
Silicon can substitute Carbon, can bond with carbon atoms giving origin to compounds probable of no use. Furthermore, to substitute a Silicon atom by a Carbon  atom would have needed  metabolic ways in addition and would have complicated the evolution process.
However, let us proceed with the observation of facts. What is truly today the rule of Silicon, or rather of its compounds, in the general economy of life?
The biogenic elements satisfy through their compounds all the needs of living organisms. But life must put its feet somewhere.
Silicon with its compounds, both on firm land and in the depths of lakes and seas, creates the right ambiance to sustain life. No other element could substitute silicon in this function.
Moreover, as we have seen in the preceding point, the low concentration of phosphorous is due to the aluminium silicates produced by the cycle of water which maintains the pH (acidity-basicity) of seas and lakes around neutrality. Hence it is probable that, indirectly, also the Silicon with is compounds, controls evolution.
At last Bernal’s theory on the origin of life, is based on  Silicon compounds and in particular on argil produced by alteration of              the continental   rocks operated by water and by carbon dioxide (CO2).                                           
What can we conclude?

Observation seems to indicate a clear separation of roles: Carbon gives origin to the compounds necessary to life, but it is Silicon through its compounds to sustain to its origin and its evolution.

That crazy Empedocles!

Turning back.

On our planet.

We can conclude that, because of the particulars of their atomic structure, the biogenic elements are the only which, through their compounds, are adapted to carry out, in living organisms, the numerous biological functions. The matter does not give us any other solution: the passage was obliged.
The availability of phosphorous, on our planet must has been scarce already in the prebiotic era, and it served to avoid, for life which had just emerged, that one or a few populations, in some area of the planet, acquired an advantage invading all the earth.
Between Carbon and Silicon observation seems to indicate a clear separation of roles: Carbon gives origin to the compounds necessary to the origin of life, but it is Silicon through its compounds to sustain its origin and its evolution.
Hence, on our planet, with reference to the biogenic elements and the Silicon, to their concentration and to their roles, we can affirm that: if we rewind the film of the origin of life and reproject it, with every probability, we would see the same story again.

In the universe

The biogenic elements are the only ones which, through their compounds, are adapted to execute, in living organisms, the numerous biologic functions: the passage is obliged.
Because the laws of physics and chemistry are universal and because the biogenic elements are distributed in the whole universe, life can have had its origin anywhere but, to manifest itself, it must wait  for adapted chemical-physical conditions.
We have no data to enable us to affirm that in other planets the concentration of  phosphorous is scarce as on the earth. Hence it is probable that elsewhere, if life emerged, a higher concentration of this element would have produced a different evolution.
Even if on our plant it seems that the continents have had a role in the origin of life, we do not have data to exclude that life could also emerge on a planet rocky but with its surface completely covered with water more or less liquid.

                                                                                     Giovanni Occhipinti

Translated by Silvia Occhipinti  (10.03.2014)

martedì 2 aprile 2013

GLI ALIENI, NOI, LA MATERIA: Ma un'alra vita è possibile?

Post n.9
Iris Fly in: “L’origine della vita sulla terra”, (2005)) nel capitolo “L’emergere della vita: né per caso né per disegno”, scrive: «[…] Caso e Telos i due corni di un dilemma fasullo, convergono filosoficamente. Il vero conflitto è fra caso e intenzionalità da un lato e un processo fisico chimico probabile dall’altro».
Che l’origine della vita sia stato un Caso o opera di un Disegno Intelligente, è un pensiero legittimo e rispettabile. Il probabile processo chimico fisico, è però impantanato da qualche insidia che si annida tra le pieghe di questa visione. Intanto, dietro lo scudo della difficoltà di dare alla vita una definizione esatta e dietro lo scudo di processi chimico fisici che non si possono escludere a priori, vengono spesso elaborate teorie assurde e senza alcun dato a sostegno. Certamente, anche queste sono legittime ma trascinano troppo a lungo il dibattito su questioni filosofiche che fanno spesso perdere la centralità del problema.
La vita siamo noi, ed è vivente tutto ciò che utilizza gli stessi materiali di cui noi siamo fatti. La vita siamo noi, ed è vivente tutto ciò che noi riconosciamo come vivente oggi. Oggetto di studio è l’origine di questa vita, e se qualcuno trova difficoltà a riconoscere un vivente, lo chieda ad un contadino.
Inoltre, le vecchie teorie, ormai in profonda crisi, fondate su miti, dogma e ideologia ha fatto passare sotto silenzio alcuni fatti e generato scenari inesistenti. Infine, estesi pregiudizi hanno trasformato il pantano in una palude. E allora, per uscire dalla palude e costruire un nuova teoria bisogna compiere l’ultimo passaggio: aprire il vaso di Pandora. Raccoglieremo tanta cenere, poche certezze e qualche domanda ma verrà fuori anche la speranza. E bisogna essere onesti, se la chimico-fisica non riesce a dare delle spiegazioni è bene ammetterlo con chiarezza perché, come scrive Paul Davies, l’ignoranza è una motivazione per la ricerca molto più valida della certezza.
Quel pazzo di Empedocle:«[…] infine, si dice, morì saltando nel cratere dell’Etna per dimostrare che era un Dio. Nelle parole del poeta Matthew Arnold:
Il grande Empedocle, quell’anima ardente,
Saltando   nell’Etna  bruciò   interamente  ».
Bertrand Russell, storia della filosofia occidentale, 1° volume Filosofia Greca, 1968).
Durante gli studi universitari, facevo parte di un gruppo di amici affascinati dall’Etna. Quante escursioni e pernottamenti e quante volte abbiamo visto la lava ribollire nel cratere centrale o scorrere a torrenti durante le eruzioni. Però io non mi ricordo di aver mai visto omini rossi.
Nel dibattito da tempo aperto se esiste vita nello spazio, emerge subito un problema: se c’è vita nello spazio essa è simile alla nostra, cioè basata sugli stessi elementi chimici e le stesse sostanze organiche? Oppure potrebbe esistere una vita molto diversa dalla nostra, cioè basata su elementi diversi?
Iris Fly in “L’origine della vita sulla terra”, (2005), riporta le idee di Shapiro e Feinberg. Questi autori suggeriscono che una definizione di vita dovrebbe essere indipendente dai caratteri locali della vita sulla terra. Essi sostengono che la vita è l’attività di un sistema altamente ordinato di materia ed energia caratterizzato da cicli complessi che mantengono o aumentano gradualmente l’ordine. La vita sarebbe quindi innata nella materia. Essi ritengono quindi possibile anche una vita fondata sui silicati. In particolare, poiché a 1000°C i silicati diventano liquidi, in un pianeta vicino al sole o all’interno del nostro pianeta, potrebbe essersi evoluta una vita fondata sui silicati.
Che gli omini rossi li abbia visto Empedocle prima di bruciare!
Naturalmente non poteva mancare chi congettura ambienti diametralmente opposti. Titano il satellite di Saturno, sembra abbia un oceano di idrocarburi liquidi alla temperatura di -180°C dove galleggiano isole di acqua ghiacciata Secondo Goldsmith su titano potrebbe essersi evoluta una vita basata su idrocarburi.
La vita siamo noi e ciò che noi riconosciamo come vivente, e la quasi totalità degli scienziati ritiene che non possa esserci una sua origine senza atmosfera, energia e acqua liquida. I fatti, a sostegno di tale ipotesi, studiati da diversi scienziati, sono talmente ampi e consistenti da poter riempire un libro. Non si conoscono argomentazioni serie contro questa ipotesi.
Adesso, proporre scenari assurdi, senza alcun sostegno scientifico e poi trovare un alibi dietro la solita frase passe-partout "non si può escludere tale possibilità", non è serio. Insomma è come dire che i Lunatici abitano l’altra faccia della luna per non farsi veder dai terrestri.
Terra, Aria, Fuoco e Acqua ecco i quattro "elementi" che mescolandosi possono produrre le varie sostanze complesse che troviamo nel mondo. E quindi anche le sostanze per l’origine della vita. Ma Empedocle con i suoi quattro elementi aveva ragione? Anche la terra come Egli la intendeva, cioè come terre emerse, è indispensabile all’origine della vita? O è possibile che la vita possa anche sorgere su un pianeta sì roccioso, ma con la sua superfice tutta ricoperta di acqua più o meno liquida?
Si calcola che le galassie nell’universo siano oltre 200 miliardi. La nostra galassia contiene 100 miliardi di stelle. Il numero di pianeti nell’universo sembra sia dell’ordine di 1018. È difficile quindi pensare che la terra sia l’unico pianeta che ospita la vita.
Come è stato sinteticamente esposto nel precedente articolo (Chimica prebiotica: regole o caos A), tutti gli elementi chimici sono stati prodotti dall’evoluzione e dal collasso delle stelle massicce. L’esplosione finale di tali stelle ha disperso gli elementi prodotti nello spazio. Successive aggregazioni e reazioni di tali elementi hanno dato origine a nubi di gas e polveri che hanno dato origine a sistemi solari. Quindi in linea generale possiamo dire che, tutti i sistemi solari dell’universo, hanno a disposizione gli stessi elementi chimici che ha avuto la vita nel nostro sistema solare.
Ora, pur avendo a disposizione 92 elementi chimici naturali, gli organismi viventi per il 96% del suo peso ne utilizzano solo 4: H (idrogeno), O (ossigeno), N (Azoto), C (Carbonio), a cui bisogna aggiungere piccole percentuali di P (fosforo) e S (zolfo). Insieme questi 6 elementi vengono detti “elementi biogeni”. Essi danno origine a tutte le molecole fondamentali della materia vivente. Dalla sintesi di queste molecole hanno origine tutti i polimeri necessari all’origine e all’evoluzione della vita.
Ma perché tale scelta? E poi, sono possibili altre soluzioni?
Si parte intanto dalla constatazione che gli organismi viventi per svolgere le loro funzioni necessitano di diverse macromolecole stabili e complesse.
Il problema fu affrontato intorno agli anni ’60 da Wald , Calvin, Pauling, e Coulson.
Una sintesi di tali lavori si trova in “Lezioni di Biofisica 3”, 1984, di Mario Ageno. Anche Iris Fly “L’origine della vita sulla terra”, (2005) ha trattato ampiamente l’argomento citando i lavori di Pauling, Lehninger, Fox e Dose, e Gibor. Da questi due saggi provengono, in sintesi, le seguenti conclusioni.
Secondo questi ricercatori gli elementi biogeni presentano delle caratteristiche uniche, che li rendono adatte ad assolvere, negli organismi viventi, le numerose funzioni biologiche.
Come noto, le strutture elettroniche dei gas nobili sono da un punto di vista energetico molto stabili. Il C, per esempio, ha 4 elettroni nella seconda orbita mentre l’H ha solo 1 elettrone nella prima orbita. Quando questi elementi si legano tra di loro, mettono in compartecipazione gli elettroni raggiungendo la struttura elettronica del gas nobile più vicino. Essi danno quindi origine a legami covalenti molto stabili. È ciò che avviene nel metano, il carbonio raggiunge la configurazione stabile del Ne (Neon) e l’idrogeno la configurazione elettronica del He.
Un altro motivo è che questi elementi hanno atomi molto piccoli e quando si legano, le loro distanze interatomiche sono molto ridotte e i legami più forti. Ciò contribuisce anche alla stabilità dei composti.
Bisogna inoltre aggiungere che il carbonio presenta una proprietà unica: i suoi atomi possono legarsi tra di loro formando lunghe catene più o meno ramificate e strutture ad anello. Essi legandosi con idrogeno, o con idrogeno e ossigeno, o anche con idrogeno ossigeno ed azoto danno origine ad un numero sterminato (oltre un milione) di composti, con proprietà diverse, che permettono l’enorme varietà degli organismi viventi.
Il carbonio inoltre, può dare origine anche a legami doppi o tripli. Nell’economia degli organismi viventi i legami multipli sono molto importanti perché da essi si può ricavare energia. Nei legami doppi o tripli il secondo ed il terzo legame sono energeticamente più debole del legame singolo. Per cui, quando in una reazione il secondo o il terzo legame si rompe per dare origine a legami singoli molto più stabili, si libera energia.
Ci si è spesso chiesto se qualche altro elemento potrebbe sostituire il carbonio.
Nella tavola periodica degli elementi, il silicio (Si) sta sotto il carbonio C e contiene, come il carbonio, 4 elettroni nell’ultima orbita che danno origine a quattro legami. Inoltre il silicio è un elemento abbondante nell’universo e specialmente sul nostro pianeta. Esso realizza con ossigeno e con alcuni metalli come sodio, calcio, magnesio, ferro e alluminio, un gran numero (circa un migliaio) di composti vari e complessi che costituiscono oltre il 90% della superfice terrestre
Ma il silicio può sostituire il carbonio?
Intanto si constata che il legame    C-C   ha un energia di legame di ca 80Kcal/mole, mentre il legame  Si-Si è molto più debole, ha un’energia di legame di ca 40 Kcal/mole e quindi i composti del silicio sono molto meno stabili.

Il carbonio dà origine a idrocarburi, composti molto stabili di carbonio e idrogeno (CH4, H3C-CH3, ecc.), e catene idrocarburiche sono inglobate in importanti composti per gli organismi viventi come gli acidi grassi. Anche il silicio dà composti con idrogeno, i silani (SiH4, H3Si-SiH3, ecc.) essi però sono instabili, si infiammano spontaneamente all’aria, si decompongono in acqua e non sono di nessuna utilità per gli organismi viventi.

Se prendiamo in considerazione i due ossidi CO2 e SiO2

La CO2 (biossido di carbonio) è una molecola gassosa che, con H2O e luce, viene utilizzato dagli organismi fotosintetici nella fotosintesi clorofilliana.
L’SiO2 anche se scritta in questo modo, in realtà non esiste come molecola. Il silicio si lega con l’O formando strutture polimeriche solide, durissime che fondono ad alte temperatura (Quarzo)
Quando si scrive la formula SiO2 si intende solo la formula media di queste strutture polimeriche. È chiaro allora che la SiO2 non potrebbe mai sostituire la CO2. Il silicio, così come qualsiasi altro elemento, è quindi inadatto a sostituire il C e non si capisce in quale pianeta e sotto quali condizioni ambientali potrebbero funzionare tali organismi..
In riferimento al silicio, Mario Ageno (Lezioni di Biofisica 3,1984) aggiunge: «[…] il silicio è completamente inadatto come materiale di costruzione per organismi viventi[…]»
In “Gli elementi chimici della vita” Le Scienze, ottobre 1972,(articolo aggiornato da Alessandro Minelli e ripubblicato in “Gli albori della vita”, Le Scienze, 1984), Earl Frieden, al punto in cui tratta i presupposti della selezione afferma: «La seconda circostanza si ricollega alle proprietà chimiche del carbonio, l’elemento che è stato selezionato, dall’evoluzione, a preferenza del silicio».
Questo diffuso pregiudizio, sorto in quegli anni, di voler estendere l’evoluzione per selezione naturale anche ai sassi, contribuisce a creare un pantano attorno al problema dell’origine della vita e non giova alla teoria di Darwin.
Ma di quale evoluzione si sta parlando? Qui non c’è stata nessuna selezione. La vita, per la sua origine, tra silicio e carbonio non ha dovuto compiere alcuna scelta: il passaggio fu obbligato.
Gli studi, estesi poi a fosforo e zolfo, hanno evidenziato come anche le proprietà di questi elementi sono uniche e quindi essi non possono essere sostituiti da altri elementi. Il fosforo, in particolare, presenta delle caratteristiche uniche sia nella costruzione degli acidi nucleici che nel controllo dei trasferimenti energetici.
Possiamo quindi concludere che, per le peculiarità delle loro strutture atomiche, gli elementi biogeni sono gli unici che, attraverso i loro composti, sono adatti a svolgere, negli organismi viventi, le numerose funzioni biologiche. La materia non ci fornisce altra soluzione: il passaggio fu obbligato.
Inoltre, poiché le leggi della fisica e della chimica sono universali se, date alcune condizioni, in altri sistemi solari si manifesta la vita, essa utilizza gli stessi elementi biogeni che utilizzano gli organismi viventi terrestri.
Sul nostro pianeta
A proposito del Fosforo!
Come abbiamo visto nell’articolo precedente (Chimica prebiotica: regole o caos. C), si ritiene che in epoca prebiotica la concentrazione dei fosfati nelle acque fosse simile a quella attuale ca 30µg/L (30 milionesimi di grammi per litro). Ciò perché si stima che a quell’epoca, in termini di acidità o basicità, le acque fossero come nella nostra epoca intorno alla neutralità, ma a quei tempi tamponate dagli allumo-silicati prodotti sulla terraferma dal ciclo dell’acqua. In tali condizioni i minerali del fosforo di origine vulcanica, le apatiti, sono pochissimo solubili.
La scarsa disponibilità del fosforo tormenta principalmente i sostenitori del “Mondo a RNA”. I nucleotidi, costituenti dell’RNA, contengono il fosforo e una bassa concentrazione di questo elemento pone un limite insormontabile alla loro visione dell’origine della vita sul nostro pianeta. Poiché le apatiti sono solubili in ambiente acido, per risolvere il problema, Christian De Duve (Polvere vitale, 1998) propose che forse le acque primordiali in cui ebbe origine la vita erano acque acide. Altri scienziati hanno proposto l’origine della vita in prossimità di vulcani. Siamo ancora in presenza soluzioni ad hoc, di idee senza alcun riscontro, localizzate e temporali, in ultima analisi casuali.
Comunque, il problema del fosforo, sorto tra i sostenitori del “Mondo a RNA”, è rimasto infine lì, come una delle difficoltà generali per l’origine della vita ed ha contribuito ad accrescere il pantano attorno al problema dell’origine della vita.
Ma possiamo dare un senso al fatto che un elemento, il fosforo, che controlla la leva energetica degli organismi viventi, sia presente con una concentrazione quasi insignificante?
In altre parole, la bassa concentrazione del fosforo fu un problema o un’opportunità?
Tutti gli organismi viventi moderni si dividono in autotrofi ed eterotrofi. Gli autotrofi si nutrono da sole, come ad esempio le alghe e le piante verdi che partendo da CO2, H2O e luce si sintetizzano da sole le sostanze di cui necessitano. Gli eterotrofi si nutrono di autotrofi o dalla catena alimentare che da essi si genera. Autotrofi ed eterotrofi convivono in uno spettacolare e armonioso equilibrio.
Ma cosa mantiene questo equilibrio?
Intorno agli anni ‘70 fu condotto, involontariamente, un esperimento quasi planetario. Il benessere che in quegli anni, almeno in occidente, si stava consolidando nella società, portò a un utilizzo in massa dei detersivi sintetici. Per neutralizzare l’effetto del calcio e del magnesio contenuto nell’acqua e aumentarne la resa, ai saponi venivano aggiunti fosfati solubili. A quell’epoca gli scarichi urbani venivano riversati nei laghi, nei fiumi e nel mare.
Come abbiamo esposto sopra il fosforo è fondamentale nelle reazioni di trasferimento di energia, esso è un po’ la leva energetica della crescita e dell’evoluzione.
Cosa successe in quegli anni? Il fosforo contenuto nei detersivi rompe l’equilibrio degli ecosistemi. L’eccessiva concentrazione di fosforo, in particolare nei laghi, provocò la proliferazione e la crescita di alcuni tipi di alghe che invasero tutto l’ambiente. Il successivo sviluppo di micro alghe portò al totale consumo dell’ossigeno che provocò la morte di tutti i pesci. Consumato l’ossigeno i processi di demolizione portarono allo sviluppo di microorganismi che producevano Metano e Acido solfidrico. Il fenomeno, chiamato eutrofizzazione, provocò la morte dei laghi. Anche se non fu vera morte. La vita nei laghi continuava, ma era una vita quasi esclusivamente di tipo vegetale e di microorganismi anaerobici.
Osservare in quel periodo il lago di Lugano era per tutti doloroso, ma ancor più doloroso lo era per un chimico.
Che conclusioni trarre da questa esperienza?
Sembra che la bassa concentrazione del fosforo sia uno dei fattori che mantiene l’equilibrio tra gli organismi viventi a livello planetario. Essa rallenta la crescita degli autotrofi, dà tempo agli eterotrofi di recuperare il ritardo nutrizionale e costringe tutti gli organismi viventi agli stessi nastri di partenza per la corsa evolutiva.
E qui, è fondamentale evidenziare quanto riportato da Stephen J. Gould e Elisabeth S. Vrba in “Exaptation, (2008)” «Lo sviluppo delle ossa è stato un evento di grande importanza nell’evoluzione dei vertebrati. Senza ossa i vertebrati non avrebbero potuto più tardi occupare la terraferma.[…]. Pautard (1961,1962) ha fatto notare che tutti gli organismi che fanno molta attività muscolare hanno bisogno di una scorta di fosfati convenientemente accessibile. […], Halstead (1969) suggerì il seguente scenario: i fosfati di calcio, che si depositano sulla pelle dei primi vertebrati, si sono evoluti inizialmente come adattamento per immagazzinare i fosfati necessari per l’attività metabolica. Solo in un secondo periodo considerevolmente posteriore nell’evoluzione le ossa hanno rimpiazzato l’endoscheletro cartilagineo e hanno assunto la funzione di supporto per la quale sono oggi per lo più note. Dunque, l’osso ha due funzioni principali : supporto/protezione e riserva/omeostasi (in quanto riserva di alcuni ioni minerali, inclusi i fosfati).[…] Seguendo l’analisi di Halstead, la deposizione di fosfato nei tessuti corporei si è evoluta inizialmente come adattamento per una funzione di stoccaggio e metabolica».
Quindi, in conclusione, la scarsa concentrazione dei fosfati genera anche strategie di sopravvivenza che innescano colossali processi evolutivi.
Certamente queste conclusioni hanno bisogno di più conferme o di smentite. Per intanto abbiamo due fatti, che ci permettono di estrapolare tali considerazioni alle origini della vita. Come vedremo, durante la fase prebiotica hanno avuto origine un gran numero di sostanze organiche, alcune ad alto contenuto energetico, che progressivamente si sono accumulate sulla superfice della terra. È logico pensare che i primi organismi viventi fossero eterotrofi, utilizzavano cioè  queste sostanze come nutrimento.
La disponibilità del fosforo, sul nostro pianeta, doveva essere scarsa già in epoca prebiotica. Ciò per evitare, alla vita appena sorta, che una o poche popolazioni, più abili nell'impossessarsi del fosforo, in qualche parte del pianeta, acquistassero un vantaggio invadendo tutta la terra. Quindi, probabilmente, un problema fosforo non è mai esistito e la bassa concentrazione del fosforo fu un’opportunità per l’evoluzione.
E a proposito del Silicio!

Le proprietà uniche degli elementi biogeni possono dare origine ad un numero sterminato di composti organici e polimeri necessarie all’origine e all’evoluzione della vita. Durante il percorso evolutivo degli organismi viventi la vita ha però cooptato tanti altri elementi presenti nell’ambiente. La maggior parte di questi elementi ha la capacità di perdere o acquistare elettroni, diventano cioè ioni, e come tali vengono utilizzate. Tra gli elementi cooptati figura anche il silicio, ma per funzioni marginali come nelle diatomee o nelle ossa e nel piumaggio dei volatili. L’esclusione del silicio sembra incomprensibile se si tiene conto del fatto che questo elemento è abbondante sul nostro pianeta, e i suoi composti coprono oltre il 90% della crosta terrestre.
La domanda se l’è posta anche Earl Frieden (articolo citato): «Se ci si sofferma sul fatto che il silicio, oltre ad essere il secondo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre, manifesta analogia con il carbonio in molte proprietà chimiche, appare piuttosto difficile comprendere i motivi per cui l’evoluzione l’abbia totalmente escluso da una funzione biochimica essenziale».
Intanto, è probabile, che il silicio sia  stato escluso proprio per queste sue analogie con il carbonio. Il silicio può sostituirsi al carbonio, legare atomi di carbonio attraverso  legami covalenti dando origine a silanoli. È però probabile che una simile sostituzione non sarebbe stata di nessuna utilità. Anzi sostituire un atomo di silicio al posto di un atomo di carbonio avrebbe necessitato vie metaboliche aggiuntive e complicato il processo evolutivo.
Però, procediamo attraverso l’osservazione dei fatti. Qual è veramente oggi il ruolo del silicio, o meglio dei suoi composti, nell’economia generale della vita?
Gli elementi biogeni soddisfano attraverso i loro composti tutte le esigenze degli organismi viventi. Ma la vita da qualche parte i piedi li deve poggiare.
Il silicio con i suoi composti, sia sulla terre emerse che nei fondali dei laghi e dei mari, crea l’ambiente adatto per sostenere la vita. Nessun altro elemento potrebbe sostituire il silicio in questa funzione.

Inoltre, come abbiamo visto al punto precedente, la bassa concentrazione del fosforo
è dovuta agli allumo-silicati prodotti dal ciclo dell’acqua che mantiene il pH di mari e laghi intorno alla neutralità, quindi è probabile che, indirettamente, anche il silicio, con i suoi composti, controlla l’evoluzione.
Infine la teoria di Bernal sull’origine della vita fa perno sui composti del silicio e in particolare sull’argilla prodotta dalle alterazione delle rocce delle terre emerse ad opera dell’acqua e dell’anidride carbonica (CO2).

Cosa possiamo concludere?
L’osservazione sembra indicare una netta separazione dei ruoli: il carbonio dà origine ai composti necessari alla vita, ma è il silicio attraverso i suoi composti a sostenere la sua origine e la sua evoluzione.
Quel pazzo di Empedocle!


Sul nostro pianeta.

Possiamo quindi concludere che, per le peculiarità delle loro strutture atomiche, gli elementi biogeni sono gli unici che, attraverso i loro composti, sono adatti a svolgere, negli organismi viventi, le numerose funzioni biologiche. La materia non ci fornisce altra soluzione: il passaggio fu obbligato.

La disponibilità del fosforo, sul nostro pianeta, doveva essere scarsa già in epoca prebiotica ed è servita ad evitare ,alla vita appena sorta, che una o poche popolazioni, in qualche parte del pianeta acquistassero un vantaggio invadendo tutta la terra.
Tra carbonio e silicio l’osservazione sembra indicare una netta separazione dei ruoli: il carbonio dà origine ai composti necessari alla vita, ma è il silicio attraverso i suoi composti a sostenere la sua origine e la sua evoluzione.
Quindi, sul nostro pianeta, in riferimento agli elementi biogeni e al silicio, alla loro concentrazione e ai loro ruoli, possiamo affermare che: se riavvolgiamo il film dell’origine della vita e lo riproiettiamo, con ogni probabilità, rivedremmo la stessa storia.
Gli elementi biogeni sono gli unici che, attraverso i loro composti, sono adatti a svolgere, negli organismi viventi, le numerose funzioni biologiche. La materia non ci fornisce altra soluzione: il passaggio è obbligato.
Poiché le leggi della fisica e della chimica sono universali e gli elementi biogeni distribuiti in tutto l’universo, la vita può avere origine ovunque ma, per manifestarsi, essa deve attendere adatte condizioni chimico-fisiche.
Non abbiamo elementi per poter affermare che in altri pianeti la concentrazione del fosforo sia scarsa come sulla terra. Quindi è probabile che altrove, se vi è sorta la vita, una maggiore concentrazione di questo elemento abbia prodotto una diversa evoluzione.
Anche se nel nostro pianeta le terre emerse sembra abbiano avuto un ruolo nell’origine della vita, non abbiamo elementi per escludere che la vita possa anche sorgere su un pianeta sì roccioso, ma con la sua superfice tutta ricoperta di acqua più o meno liquida.
Giovanni Occhipinti
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