giovedì 25 luglio 2013


Post n. 12 English

The universe originated 13.6 billion years ago. Studies show it was the Big Bang to have led the way to the origin of life.
The facts that lead to similar claims are the so-called "natural constants". As reported by the physicist Paul Davies in "Una fortuna cosmica" in 2007, the story begins in
1950. At that time physicists could not understand how carbon was formed in stars. The fusion of two nuclei of helium gives out beryllium, if which bumps another helium nucleus should give out carbon. The problem is that Beryllium is unstable and
decomposes before it can be hit by a helium nucleus. The carbon and therefore life would not have existed. Fred Hoyle who solved the problem proposed that the Beryllium presented a peak of nuclear energy, or what physicists call resonance, which would extend its existence by a few fractions of a second. It has been shown that beryllium has actually this resonance and it is thanks to this trifle energy that the synthesis of carbon is possible and therefore the origin of life.
Davies also mentions both the strong nuclear force, like the force that binds protons in the nucleus, and the force of attraction between electrons (-) and protons (+).
If these forces were slightly more intense or less intense even by 1%, the universe would be completely different and life impossible. The same considerations apply to the force of gravity and the weak nuclear force: the force that controls the decay of the neutrons. Reflecting on these and other facts, around the late 70s, the astrophysicist Brandon Carter coined the term "anthropic principle" to indicate a universe cut right for life.
Respectful scientists expresses ideas that go in that direction even if they do not accept the anthropic principle, as the physicist Freeman Dyson said: "The more I examine and study the details of its architecture, the more it is evident the universe, somehow, already knew “we were coming ".
The famous biologist Simon Conway Morris goes even further when he says: "There is as we could say an inevitable intelligence in the universe".  And Paul Davies seems to believe in the existence of a purpose in the mechanisms of the universe at a fundamental level, not accidental and without an agent pre-existing purposes miraculous. As it is for some scientists, Life is in the laws of the universe.
However, it is a topic on which we have very little to say so we limit ourselves by writing down facts. We leave cosmologists and physicists final outcome of future insights and to philosophers and theologians their ultimate meaning.
The stars, through nuclear fusion of hydrogen, they formed the nuclei of natural chemical elements. In particular, in stars with a mass greater than 1.5 solar masses, begin the formation of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O). As the mass increases, the temperature of the core increases too and elements with greater mass are formed. And finally, the collapsing and consequently, the explosion of massive star about ten times the sun’s mass, and all the natural heavy elements formed. All these elements are dispersed in space. Starting from the Big Bang, through the nuclear fusion of hydrogen, the stars took about 5 billion years to fertilize the space. In this first phase of the universe, the amount of carbon, nitrogen and oxygen was poor, and rocky planets could not exist because there wasn’t enough silicon.
On how the universe in the future will change when the relations between elements will vary is still a topic under study.
At this present state in the universe for every million hydrogen atoms, there are 350 of carbon, nitrogen 110 and 670 of oxygen, while most of the remaining elements are about  the unit or much less. So biogenic elements (H, C, N, O) are by far, the most abundant elements in the universe. We can therefore imagine the atoms of carbon, nitrogen, oxygen immersed in an atmosphere of hydrogen. The matter in space is very thin and subjected to the most diverse conditions of temperature and radiation. However, in the long run, these elements ionized by ultraviolet rays and through random collisions, become molecules of very simple substances. In fact radio astronomy has identified some molecules in the space formed by these elements, mainly: methane (CH4), ammonia (NH3), water (H2O), hydrogen cyanide (HCN),  formaldehyde (HCHO), carbon monoxide (CO), and in smaller quantities other simple molecules such as formic aldehide, urea, simple alcohols and ketones.
Part of these substances are destroyed by ultraviolet rays that then later reform in other places. Since the temperature in those areas is around -250 ° C, a large part gets
frozen on
dust particles away from the deadly rays. The elements produced by stars and simple molecules together with dust particles (silicates, metal oxides, ice crystals)  become clouds of gas and dust that give birth to planetary systems, when highly concentrated.
In conclusion, we can say that planetary systems all start with the same ingredients.
So, what is the chemistry with these ingredients?
Our solar system originated 4.5 billion years ago. At that time the nebula of gas and dust formed and asteroids too.
Fragments of asteroids have crashed on earth in the form of meteorites; in the last two centuries, more than a thousand have been collected and catalogued. These meteorites, called chondrites because of the presence of chondrules, beads of melted material; therefore, they are from the same primordial material from which other bodies of the solar system were formed.
Alan E. Rubin, geochemist at the University of Los Angeles conducted a study on chondrites and presented the results of his research named, "I segreti dei meteoriti primitive" Le Scienze, April 2013. The intention of Rubin was only to build a map of the structure of the solar nebula. From this research, we can draw out some useful information for our purpose.
So chondrites represent 80% of the meteorites fallen on Earth. The study of the chemical characteristics led to identify a dozen groups.
All these groups are included in four classes: enstatite chondrites formed between 0.5 and 1.5 AU (1 astronomical unit Sun-Earth distance), ordinary chondrites over the two UA, Rumuruti chondrites from 2.5 to 3 UA and finally between 3 and 4.5 UA the carbonaceous chondrites. Beyond this distance begins the area of ​​the gassy planets. So these meteorites originated from the proximity of the Sun to Jupiter’s orbit, in completely different environmental conditions depending on: temperature, radiation, particle velocity, shock waves, etc.
Well, among all these different environmental conditions only the carbonaceous chondrites contain carbon compounds. And what are these compounds? Simple organic substances and mainly amino acids, which are the constituents of proteins.
According to JB Haldane substances essential for the origin of life originated, in the prebiotic era, on our planet, starting with the primordial nebula of gas with energy input.
In 1953, S. Miller confirmed this hypothesis.
After Miller, researchers conducted several experiments in the most different environmental conditions, using gas mixtures similar to those contained in the clouds of gas and dust.
Well, as Miller they obtained different compounds of carbon.
And what are these compounds? Simple organic substances and mainly amino acids.
So after 4.5 billion years it does not seem that the chemistry has changed that much.
And then, how many clues do we need to be convinced that, among the constituents of the macromolecules essential for life (nucleic acids and proteins), only the amino acids were present in the prebiotic era?
Now, the same ingredients in the clouds of gas and dust that gave rise to other planetary systems. In these planetary systems, the environmental conditions were roughly similar to our solar system. We can assume then that even in those places, probably, amino acids formed. And as long as the universe will not change the quantitative ratios of biogenic elements, it is likely that solar systems in formation will synthesize amino acids.
Some scientists, as reported by Dimitar Sasselov in “Un’altra terra" in 2012, are
Elab. da:
seeking a synthetic      Biology and alternative Biochemistry. In this context, the complex organic compounds and their reactivity are represented by the metaphor of a chemical landscape that is a map with valleys and mountains. The valleys represent the initial conditions, the mountains instead alternative biochemistry that you might have on other planets according to the environmental conditions.
It isn’t really clear what is meant by synthetic and alternative, but if you think of a biochemical without amino acids we’d be discussing about nothing.
As for life and its origin, if we still want to use the metaphor of the chemical
landscape, amino acids occupy the only hill and all around is inanimate matter makes us a flat salt desert.
Nothing had to go wrong with the origin of life. The amino acids can’t be replace and since the laws of physics and chemistry are universal, their properties are unique and universal. It is from the amino acids where a particular type of matter, organic matter, the matter of life originates.
The question often asked, could there be organisms that were using D amino acids (Right) instead of L (Levo) and Ribose L instead of D; and why not! However, it is unlikely that they are around the universe. As we will explain, also supported by some experimental data, the choice of Levo in amino acid is probably a consequence of the asymmetry of water. Life needs water in liquid state and water in all the universe has the same asymmetry.
In Miller’s experiment and in meteorites over 60 different amino acids have been identified. Life on earth uses only 20 and, when life originated, perhaps it only used 12 to 15, as for the others life added them much later. It is very likely that the choice of amino acids was a consequence of the environmental conditions of our planet, if not all at least part of it.
Finally, as discussed in the previous article "Proteins: its constituents. Seven strokes of luck ", inanimate matter provides the matter: amino acids, with all the right properties for life. It creates a chemical void so that the creation of life doesn’t go wrong. Inanimate matter also provides a fairly large number of amino acids, so that life can choose the right ones according to the environmental conditions on the planet.
What to say!
Come to think, Paul Davies says in "Da dove viene la vita", 2000: "Placing categories and concepts from the human world on the nature, is undoubtedly dangerous. Yet, after all, human beings are also products of nature, and if humans have a purpose, that means at some point, it must be because of nature, and therefore it is in its genes. [...] Is it possible that the purpose of nature is an intrinsic property, at a cellular level or even subcellular? There is no agreement on the answers to these questions, but an explanation of the origin of life will never be complete if these questions are not addressed. "
However, it is a subject on which we have very little to say therefore we limit ourselves to registering data. Let the philosophers and theologians decipher their ultimate meaning.
What about aliens? So far still similar to us ... or so.

Giovanni Occhipinti


lunedì 22 luglio 2013


 Post n. 12

Ma un'altra vita è possibile?

L’universo ha avuto origine 13,6 miliardi di anni fa. Secondo alcuni studiosi fu proprio il Big Bang a porre le premesse per l’origine della vita. I fatti che portano a simili affermazioni sono le cosiddette “costanti naturali”. Come riporta il fisico
Paul Davies in  “Una
 fortuna cosmica” 2007, la storia inizia nel 1950. I fisici, a quell'epoca, non riuscivano a capire in che modo si fosse formato il carbonio nelle stelle. La fusione di due nuclei di Elio dà origine al Berillio, il quale urtando un altro nucleo di Elio dovrebbe dare origine al Carbonio. Il problema è che il Berillio è instabile e si decompone prima di poter essere colpito da un nucleo di Elio. Il carbonio e quindi la vita non avrebbero dovuto esistere. A risolvere il problema fu Fred Hoyle il quale propose che il Berillio presentasse un picco di energia  nucleare, o come dicono i fisici una risonanza atta a prolungare di qualche frazione di secondo la sua esistenza. È stato dimostrato che il Berillio presenta effettivamente questa risonanza ed è grazie a questa inezia energetica che si rende possibile la sintesi del carbonio e quindi  l’origine della vita.
Inoltre Paul Davies cita sia la forza nucleare forte, cioè la forza che lega i protoni nel nucleo, sia la forza di attrazione tra elettroni () e protoni (+). Se l'intensità queste forze variasse anche solo dell’1%, l’universo sarebbe completamente  diverso e la vita impossibile. Le stesse considerazioni valgono per la forza di gravità e per la forza nucleare debole, cioè la forza che controlla il decadimento dei neutroni. Riflettendo su questi e altri fatti, intorno alla fine degli anni ’70, l’astrofisico Brandon Carter coniò il termine “principio antropico” per indicare un universo tagliato giusto per la vita.
Anche autorevoli scienziati ,pur non accettando il principio antropico, esprimono idee che vanno in quella direzione, come il fisico Freeman Dyson che afferma: «Quanto più l’esamino e studio i particolari della sua architettura, tanto più numerose sono le prove che l’universo, in un certo senso, doveva già sapere che saremmo arrivati». Il famoso biologo Simon Conway Morris va anche oltre quando sostiene: «C’è per così dire, insita nell’inizio stesso dell’universo l’inevitabilità dell’intelligenza». E Paul Davies sembra credere nell’esistenza di una finalità nei meccanismi del cosmo ad un livello fondamentale, non accidentale e senza un agente preesistente con finalità miracolose. Insomma per alcuni scienziati la vita sarebbe iscritta nelle leggi dell’universo.
È comunque un argomento su cui abbiamo ben poco da dire e quindi ci limitiamo a registrare. Lasciamo a cosmologi e fisici le valutazioni finali dei futuri approfondimenti e a filosofi e teologi il loro significato ultimo.
Dunque, nelle stelle  attraverso la fusione nucleare dell’idrogeno, si sono formati i nuclei degli elementi chimici naturali. In particolare nelle stelle di massa superiore a 1,5 masse solari inizia la formazione di carbonio (C), azoto (N), ossigeno (O). All’aumentare della massa delle stelle, aumenta la temperatura del loro nucleo e si formano elementi con massa sempre maggiore. Infine, nel collasso e l’esplosione delle stelle massicce, circa dieci volte la massa solare, si formano tutti gli elementi naturali più pesanti. Tutti questi elementi vengono dispersi nello spazio. A partire dal Big Bang, attraverso la fusione nucleare dell’idrogeno, le stelle hanno impiegato circa 5 miliardi di anni per fertilizzare lo spazio. In questa prima fase dell’universo, la quantità di carbonio, azoto e ossigeno era scarsa, e non potevano esistere pianeti rocciosi perché non c’era silicio a sufficienza. Come cambierà in futuro l’universo quando cambieranno i rapporti quantitativi tra gli elementi  è argomento di studio. Allo stato attuale, nell’universo, per ogni milione di atomi di idrogeno ve ne sono 350 di carbonio, 110 di azoto e 670 di ossigeno, mentre la maggior parte dei restanti elementi si trova intorno all’unità o molto al di sotto. Quindi gli elementi biogeni (H, C, N, O) sono di gran lunga gli elementi più abbondanti nell’universo. Possiamo quindi immaginare gli atomi di carbonio, azoto, e ossigeno immersi in un’atmosfera di idrogeno. La materia nello spazio è molto rarefatta e sottoposta alle più diverse condizioni di temperatura e di radiazioni. Però, nel lungo periodo, questi elementi ionizzati dai raggi ultravioletti, attraverso urti casuali hanno dato origine a molecole di sostanze molto semplici. E infatti la radio astronomia ha individuato nello spazio alcune molecole costituite da questi elementi e principalmente metano (CH4), ammoniaca (NH3), acqua (H2O), acido cianidrico (HCN), aldeide formica (HCHO), ossido di carbonio (CO) e in quantità inferiori altre molecole semplici come formammide, urea, alcoli semplici e chetoni.
Una parte di queste sostanze vengono distrutte dai raggi ultravioletti per poi magari riformarsi più tardi in altri luoghi. Ma una buona parte, essendo la temperatura in quei luoghi intorno ai -250°C, congela su granuli di polvere al riparo dai raggi letali. Gli elementi prodotti dalle stelle e queste molecole semplici  assieme a grani di polvere (silicati, ossidi di metalli,  cristalli di ghiaccio) costituiscono le nubi di gas e polveri
che contraendosi danno origine ai sistemi planetari.
In conclusione possiamo affermare che i sistemi planetari partono tutti con gli stessi ingredienti.
E allora, quale chimica con questi ingredienti?
Il nostro sistema solare ha avuto origine 4,5 miliardi di anni fa. In quel periodo dalla nebulosa di gas e polveri si sono formati anche gli asteroidi. Frammenti di asteroidi sono precipitati sulla terra sotto forma di meteoriti; negli ultimi 2 secoli ne sono stati raccolti e catalogati oltre un migliaio. Questi meteoriti, denominati anche condriti per la presenza di condruli cioè perline di materiale fuso, sono quindi formati della stessa materia primordiale di cui sono formati tutti i gli altri corpi del sistema solare.
Alan E. Rubin, geochimico dell’università di Los Angeles, ha condotto uno studio sulle condriti e ha esposto i risultati delle sue ricerche in “I segreti dei meteoriti primitivi”, Le Scienze, Aprile 2013. L’intenzione di Rubin era solo quella di costruire una mappa della struttura della nebulosa solare. Da questa ricerca noi possiamo però trarre anche delle informazioni utili per il nostro scopo.
Dunque le condriti rappresentano l’80% dei meteoriti caduti sulla terra. Lo studio delle caratteristiche chimiche ha portato ad identificarne una decina di gruppi.
Tutti questi gruppi sono stati inclusi in 4 classi e cioè: condriti enstatitiche formatisi tra 0.5 e 1,5 UA dal Sole (UA, Unità Astronomica, distanza Sole-Terra), oltre le due UA si sono formate le condriti ordinarie, da 2,5 a 3 UA le condriti Rumuruti e infine tra 3 e 4,5 UA le condriti carbonacee. Oltre questa distanza inizia la zona dei cosiddetti "giganti gassosi", Giove, Saturno, Urano e Nettuno, mentre gli asteroidi formatisi fino ai lontani confini del sistema solare sono costituiti di ghiaccio. Quindi le condriti si sono originate dalla prossimità del Sole fino a quasi l’orbita di Giove, nelle più differenti condizioni ambientali di temperatura, radiazioni, velocità delle particelle, onde d’urto ecc.
Ebbene, tra tutte queste differenti condizioni ambientali solo le condriti carbonacee contengono composti del Carbonio. E quali sono questi composti? Sostanze organiche semplici e principalmente amminoacidi, cioè i costituenti delle proteine.
Secondo J. B. Haldane le sostanze fondamentali per l’origine della vita hanno avuto origine, in epoca prebiotica, sul nostro pianeta, a partire dai gas della nebula primordiale con apporti di energia. Nel 1953 S. Miller ha confermato tale ipotesi.
Dopo Miller, utilizzando miscele di gas simili a quelli contenuti nelle nubi di gas e polveri, parecchi ricercatori hanno condotto esperimenti nelle più differenti condizioni ambientali.
Ebbene, come Miller essi hanno ottenuto diversi  composti del Carbonio. E quali sono questi composti? Sostanze organiche semplici e principalmente amminoacidi.
Insomma dopo 4,5 miliardi di anni non sembra che la chimica sia cambiata di molto. E quanti indizi bisogna avere per convincersi che, tra i costituenti delle macromolecole fondamentali per la vita (acidi nucleici e proteine), solo gli amminoacidi erano presenti in epoca prebiotica?
Ora,  gli stessi ingredienti erano contenuti nelle nubi di gas e polveri che hanno dato origine ad altri sistemi planetari. Nei sistemi planetari con "zona abitabile" le condizioni ambientali saranno state pressappoco simili al nostro sistema solare. È da presumere allora che anche in quei luoghi, probabilmente, si sono formati amminoacidi. E fino a quando nell’universo non cambieranno i rapporti quantitativi degli elementi biogeni è probabile che anche nei sistemi solari in formazione si sintetizzeranno amminoacidi.
Alcuni scienziati, come riporta  Dimitar Sasselov in “Un’altra terra” 2012, sono alla ricerca di una Biologia sintetica e una Biochimica alternativa.
Elab. da:
  In questo contesto, il complesso dei composti organici  e le   loro reattività vengono rappresentati con la metafora del paesaggio chimico cioè una sorta di carta geografica con valli e monti. Le valli rappresenterebbero le condizioni iniziali, i monti invece le biochimiche alternative che si potrebbero avere in altri pianeti a secondo delle condizioni ambientali.
Ora, cosa si intenda con i termini sintetica e alternativa non è ancora chiaro, ma se si pensa ad una biochimica senza amminoacidi si riprende a discutere del nulla.
Per quanto riguarda  la vita e la sua origine, a voler utilizzare  ancora la metafora del paesaggio chimico, gli amminoacidi occupano l’unico monte  e attorno ad esso la materia inanimata ha steso un piatto deserto di sale.
La vita alle sue origini non poteva e non doveva sbagliare. Nulla può sostituire gli amminoacidi e poiché le leggi della fisica e della chimica sono universali, essi con le loro proprietà sono unici e universali. Ed è da qui, dagli amminoacidi che inizia un tipo particolare di materia, la materia organica, la materia della vita.
Ci si chiede spesso se potrebbero vivere organismi che utilizzassero amminoacidi D (Destro) invece che L (Levo) e Ribosio L invece del D; e perché no? È però improbabile che si trovino in giro per l’universo. Come avremo modo di chiarire, corroborata anche da qualche dato sperimentale, la scelta della forma Levo degli amminoacidi è probabilmente una conseguenza dell’asimmetria dell’acqua. La vita ha bisogno di acqua liquida e l’acqua liquida in tutto l’universo presenta sempre la stessa asimmetria.
Negli esperimenti alla Miller e nei meteoriti sono stati individuati oltre 60 amminoacidi diversi. Di questi la vita sulla terra ne utilizza solo 20 e quando la vita ebbe origine forse ne ha utilizzati solo 12-15, gli altri la vita li ha aggiunti molto tempo dopo. È molto probabile che la scelta degli amminoacidi, se non di tutti almeno di una buona parte, fu una conseguenza delle condizioni ambientali del nostro pianeta.
Dunque, le cose stanno pressappoco così. Come già esposto nel precedente articolo “Le proteine : i suoi costituenti. Sette colpi di fortuna”, la materia inanimata fornisce il materiale (gli amminoacidi) con tutte le proprietà giuste per la vita. Essa tutt’intorno crea un vuoto chimico in modo che la vita in formazione non abbia da sbagliare. La materia inanimata fornisce anche un numero abbastanza elevato di amminoacidi, affinché la vita possa scegliere quelli giusti in funzione delle condizioni ambientali del pianeta.
Che dire!
Viene alla mente quanto afferma Paul Davies in “Da dove viene la vita”, 2000:  «L’esercizio di proiettare sulla natura categorie e concetti tratti dal mondo delle vicende umane, è indubbiamente pericoloso. Eppure, in fin dei conti, gli esseri umani sono anch’essi prodotti della natura, e se gli umani hanno degli scopi vuol dire che, a qualche livello, la tendenza a un fine deve nascere dalla natura, e quindi deve essere insita in essa. […] È possibile che la finalità sia una proprietà intrinseca della natura, fino al livello cellulare o addirittura subcellulare? Non c’è accordo sulle risposte a simili domande, ma una spiegazione dell’origine della vita non sarà mai completa se non affronta questi interrogativi.»
È comunque un argomento su cui abbiamo ben poco da dire e quindi ci limitiamo a registrare. Lasciamo a filosofi e teologi il loro significato ultimo.
A proposito e gli alieni? Fin qui simili a noi… quasi.

                                                                                  Giovanni Occhipinti

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Post n. 11

NOI, GLI ALIENI LA MATERIA. Ma un'altra vita è possibile. Gli amminoacidi

Dunque, gli elementi biogeni(C, N, O, H) sono gli unici che, attraverso i loro composti, sono adatti a svolgere, negli organismi viventi, le numerose funzioni biologiche. Sappiamo che tra questi composti i più importanti sono gli acidi nucleici, DNA e RNA, e le proteine.
Le proteine costituiscono tessuti e organi, permettono alle cellule di comunicare, controllano ciò che deve entrare e uscire dalla cellula, fungono da anticorpi.
Tutti gli organismi viventi hanno anche una complessità di funzioni interdipendenti che permette loro: la nutrizione, la crescita, la riproduzione, l’evoluzione, la reazione agli stimoli, la morte. Tutte queste funzioni vitali hanno in comune il metabolismo; cioè quel processo di reazioni chimiche coadiuvate da proteine (enzimi) che permettono agli organismi viventi di funzionare. All’interno della cellula si trovano migliaia di enzimi che regolano e programmano migliaia di reazioni chimiche, nessuna reazione biologica e nessuna delle funzioni sopra elencate può avvenire senza il loro intervento, nemmeno la sintesi degli acidi nucleici.
Le proteine sono macromolecole i cui costituenti sono gli amminoacidi.
Ma gli amminoacidi, in epoca prebiotica, erano presenti sul nostro pianeta?
Nel 1953 S.L. Miller, ipotizzando un’atmosfera primordiale costituita da CH4, NH3, H2O e H2, riuscì, con apporti di energia elettrica, ad ottenere diverse sostanze organiche e, tra queste, parecchi amminoacidi alcuni dei quali componenti delle nostre proteine. Questo esperimento, condotto in condizioni prebiotiche plausibili, segnò la data di nascita della chimica prebiotica.
Negli anni che seguirono furono compiute diverse verifiche che confermarono i risultati dell’esperimento di Miller. Inoltre diversi ricercatori hanno eseguito esperimenti sia variando la composizione della miscela gassosa sia le fonti di energia. Tutti questi lavori hanno confermato che in epoca prebiotica, sul nostro pianeta, era possibile la sintesi di un grande numero di sostanze organiche e tra queste spesso erano presenti amminoacidi. Attraverso questi esperimenti è stata dimostrata la presenza, in epoca prebiotica, di circa 60 amminoacidi diversi. Inoltre è stata dimostrata anche la presenza di acido cianidrico, (HCN), precursore delle purine, di aldeide formica, (HCHO), precursore del ribosio e di altre importanti sostanze organiche tra cui l’urea.
È rimarchevole il fatto che le stesse sostanze, in particolare gli amminoacidi, siano stati trovati nei meteoriti risalenti all’epoca della formazione del nostro sistema solare. La scoperta degli amminoacidi negli esperimenti di Miller e la loro presenza nei meteoriti dimostra, secondo gli scienziati, la facilità di sintesi di questi composti. Perfino i sostenitori del “Mondo a RNA” non hanno dubbi sulla presenza degli amminoacidi in epoca prebiotica. Manfred Eigen, in riferimento agli esperimenti alla Miller, in “Gradini verso la vita”, 1992 afferma: «Ciò che rende significativi questi esperimenti è non tanto il fatto che si formino in generale amminoacidi, ma che le loro frequenze relative corrispondano a quelle che si riscontrano in natura, e in particolare nei composti organici scoperti nei meteoriti. »
Agli inizi degli anni ’90, alcuni ricercatori hanno messo in dubbio la presenza di un’atmosfera primordiale costituita da CH4, NH3, H2O e H2. Questi ricercatori hanno ipotizzato un’atmosfera primordiale costituita da CO2, N2, e H2O, e in tali condizioni la formazione degli amminoacidi con apporti di energia non si verifica. Miller ha definito questi lavori ipotesi senza dati a sostegno.
Nessuna ricerca seria ha mai messo in dubbio la presenza di amminoacidi in epoca prebiotica.
Possiamo concludere che numerosi e forti indizi dimostrano la presenza degli amminoacidi in epoca prebiotica. Dalla sintesi di queste molecole hanno origine le proteine.
Ma perché gli amminoacidi? E poi, sono possibili altre soluzioni?
Secondo le mie limitate conoscenze, in sessant’anni di chimica prebiotica, l’unico scienziato che ha cercato di dare una risposta a queste domande è stato Mario Ageno in “Lezioni di Biofisica 3” 1984.
Il Prof. Mario Ageno parte dalla constatazione che le cellule degli organismi viventi non contengono molecole di dimensioni intermedie, ma sono costituite da:
a) piccole molecole, il più possibili semplici, che si trovino già nell’ambiente o facili da sintetizzare
b) polimeri lineari (macromolecole) realizzati con operazioni ripetitive di un numero limitato di piccole molecole (monomeri).

Come noto i polimeri lineari, si possono ottenere sia per poliaddizione che per policondensazione. La poliaddizione si ottiene dall’unione

di migliaia ma anche di milioni di molecole dello stesso tipo. Essa è la ripetizione dello stesso motivo senza nessun contenuto di informazione, porta a polimeri generalmente di tipo lineari, per esempio il polietilene, ed avviene attraverso un processo chimico abbastanza complesso.

La policondensazione può avvenire anche tra molecole diverse, attraverso l’eliminazione di molecole di acqua. Questo tipo di polimerizzazione non può avvenire in presenza di acqua, tuttavia il processo chimico è molto più semplice della poliaddizione. Essa può condurre a materie plastiche, ma viene utilizzata dagli organismi viventi per la costruzione delle macromolecole necessarie alla vita. Infatti, non essendo la ripetizione monotona di uno stesso motivo, i polimeri risultanti possono contenere una elevata informazione.
Secondo Ageno la scelta dei polimeri lineari ha una sua logica costruttiva estremante semplice, partendo da un numero limitato di pezzi, sempre con la stessa operazione costruttiva, si realizzano strutture molecolari diverse ma tutte imparentate tra di loro. Probabilmente esistono altre soluzioni per immagazzinare informazioni e funzioni ma tutte sono molto più complicate. La soluzione più conveniente da un punto di vista evolutivo sembra essere proprio quella dei polimeri lineare. In definitiva l’evoluzione ha scelto il processo polimerico più semplice, la policondensazione, e i polimeri più semplici cioè i polimeri lineari e Ageno aggiunge: «Sembra dunque molto probabile che, dovunque appaiono sotto la spinta di cause naturali sistemi in qualche modo simili per le loro caratteristiche generali agli organismi viventi che noi conosciamo, questi sistemi si basino per la loro riproduzione su una qualche specie di polimero lineare. Se non altro, questa soluzione si raggiunge più facilmente e prima di ogni altra nel corso di una evoluzione chimica che prenda le mosse (il che è inevitabile) da piccole molecole costituite da pochissimi atomi. E allora, quali monomeri una volta accettata la soluzione del polimero lineare?»

Egli esaminando i costituenti delle proteine si pone la domanda: «Che cosa si può immaginare di più semplice

 di un amminoacido, come elemento strutturale di un polimero lineare?» Si tratta in sostanza di un atomo di carbonio che stabilisce un legame con il più semplice degli elementi, l’H. Un secondo legame avviene con la più semplice delle funzioni basiche, -NH2. Un terzo legame avviene con la più semplice funzione acida –COOH. Per ultimo il quarto legame avviene con un residuo (R) generalmente di un idrocarburo semplice o di un suo derivato. Egli conclude, che la facilità con cui essi si trovano in natura per esempio nei meteoriti, dimostra che si tratta di molecole semplici e facili da sintetizzare e suggeriscono la conclusione che le catene polipeptidiche rappresentano la soluzione più semplice.

Quindi, alla domanda: perché gli amminoacidi? La risposta è: perché sono semplici e facili da sintetizzare.
Ora, la questione è che essi sono sì semplici e facili da sintetizzare ma presentano una complessità di proprietà senza le quali la vita non potrebbe esistere. Tale complessità ci pone, come vedremo, una spinosa domanda sul problema dell’origine della vita che normalmente non cade nell’ambito della scienze fisiche.
Quando Ageno parla di polimeri lineari, si riferisce alla struttura primaria cioè alla disposizione e alla struttura degli amminoacidi nella catena polimerica.
Il fatto è che se la struttura primaria rimasse tale, cioè semplicemente un lungo polimero, essa non esplicherebbe nessuna funzione vitale. In realtà le singole proteine oltre alla struttura primaria, presentano una struttura secondaria e una struttura terziaria. Le proteine svolgono le loro funzioni vitali solo ricorrendo alle strutture secondarie e terziarie.
Per comprendere come sono possibile tali nuove strutture è necessario esaminare le proprietà degli amminoacidi.
1) La prima caratteristica degli amminoacidi è proprio quella di essere molecole semplici e facili da sintetizzare in ambiente prebiotico.
2) Una seconda proprietà è che gli amminoacidi sono solubili in acqua e stabili. Se non fossero solubili in acqua la vita non esisterebbe, poiché essi si sarebbero raccolti insieme come grumi di catrame o come chiazze oleose alla superfice dei bacini idrici.

3) Gli esperimenti di Miller hanno evidenziato la presenza, in epoca prebiotica, di circa 60 amminoacidi diversi, ma la vita ne utilizza solo 20. Se essi avessero potuto reagire in acqua avrebbero dato origine ad un numero enorme di polipeptidi, di composizione e lunghezze casuali, ma di nessun interesse per l’origine della vita. Quindi gli amminoacidi devono essere sì solubili in acqua ma non devono reagire in acqua. E infatti essi realizzano polimeri attraverso la policondensazione che in acqua

non è permessa.

4) Il legame peptidico è un legame che si realizza tra il gruppo –COOH di un amminoacido e il gruppo –NH2 di un altro amminoacido con eliminazione di una molecola di H2O.
La caratteristica di questo legame è di essere un legame in risonanza. Cioè il doppio legame tra l’atomo di carbonio e l’

ossigeno non è localizzato tra i due atomi ma

è distribuito anche sul legame C-N. La conseguenza di questa delocalizzazione è che ogni zona del legame peptidico della proteina giace su un piano e la molecola della proteina non può ruotare attorno ai legami peptidici. Come abbiamo detto, le proteine non sono soltanto lunghe catene lineari di amminoacidi. Questa è solo ciò che viene chiamata struttura primaria. Le singole proteine presentano una struttura secondaria e una struttura terziaria attraverso le quali esse svolgono le loro funzioni vitali. Nelle struttura secondaria esse realizzano strutture a elica e a fogli, dette α-eliche e fogli-β. Ebbene,
orig. da: 
 affinché queste strutture possano realizzarsi, una condizione necessaria è che si eviti la rotazione della molecola attorno al legame peptidico. La delocalizzazione del legame peptidico evita proprio tale rotazione.

5) Una seconda condizione affinché queste strutture secondarie possano realizzarsi è che le molecole costituenti siano asimmetriche. Sappiamo che gli amminoacidi, tranne la glicina, sono chirali cioè esistono in due forme asimmetriche una l’immagine speculare dell’altra denominate Destro e Levo. 

Molecole simmetriche non possono realizzare né α-eliche né fogli-β. Le strutture secondarie delle proteine si possono realizzare scegliendo una delle due forme asimmetriche; negli organismi viventi è stata scelta la forma L.

6) Un’altra caratteristica importante del legame peptidico è la presenza di un atomo di idrogeno legato all’azoto. Il legame tra questi due elementi è un legame polarizzato che dà origine ad -Hδ+. Come si vede dall’immagine dell’α-elica (tratteggio), esso si lega al -COδ- di un altro amminoacido e sono questi legami che stabilizzano l’α-elica. Senza questi legami la struttura secondaria α-elica delle proteine non potrebbe esistere.
7) Per finire, abbiamo visto che negli amminoacidi il carbonio è legato ad un residuo R. Questi residui non sono scelti a caso. Alcuni di essi sono idrofili, miscibili con l’acqua, altri sono idrofobi, non miscibili con l’acqua. Nella struttura terziaria della proteina, cioè la struttura globulare, gli R idrofobi si concentrano all’interno e gli R idrofili nella parte esterna. Il risultato finale è che la proteina risulta molto stabile ed è difesa dalla degradazione dell’acqua.
È noto che i composti della chimica organica sono circa 1,5 milioni e raggruppati in famiglie. Non esiste un’altra famiglia di composti organici che presenta simili caratteristiche: gli amminoacidi sono unici, il passaggio fu obbligato.
Si potrebbe concludere che gli amminoacidi sono composti versatili. Ma noi abbiamo di fronte la vita e se vogliamo cercare di capire la sua origine alla domanda iniziale: perché gli amminoacidi? Non basta più la risposta: sono semplici e facili da sintetizzare; perché in realtà essi devono possedere le seguenti caratteristiche:
1) Semplici e facili da sintetizzare
2) Solubili e stabili in acqua.
3) Non devono reagire in acqua.
4) Si devono legare tra di loro dando origine ad un legame peptidico in risonanza
5) Devono essere chirali.
6) Devono contenere un -Hδ+ residuo sull’atomo di azoto.
7) Il residuo R non è casuale.
Se fosse mancata solo una di queste proprietà, non sappiamo come sarebbe stata la vita, o forse non esisterebbe. Gli amminoacidi sono composti unici.
Allora la domanda è: ma come fanno a trovarsi negli amminoacidi tutte queste proprietà, proprio lì in quei composti unici semplici e facili da sintetizzare, giusto quelle proprietà necessarie alla vita, mentre la vita è ancora in divenire?
Sette colpi di fortuna?
                                                                                       Giovanni Occhipinti

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