sabato 27 settembre 2014

INTRODUZIONE ALL'ORIGINE DELLA VITA: Il citoplasma e leggi della chimica



Post n. 18


Tutte le cellule sono costituite da una membrana cellulare, o membrana plasmatica, che separa la cellula dall’ambiente esterno. All’interno della cellula si trova un fluido, il citoplasma, che contiene il materiale genetico, vari organelli, enzimi, e piccole molecole. È all’interno del citoplasma che si esplica l’omeostasi o circuito regolatore che come scrive Freeman J. Dyson in “Origini della vita” 2002: «L’omeostasi è quel complesso di controlli chimici e di cicli di retroazione che consente a ogni specie molecolare, all’interno della cellula, di essere prodotta nella giusta proporzione: non troppa né troppo poca. Senza omeostasi non
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 potrebbe esservi né un metabolismo ordinato, né un equilibrio quasi stazionario, nulla insomma che meriti il nome di vita». Quindi, l’omeostasi è iniziata con la vita ed è generata dal citoplasma. Allora, per poter comprendere l’origine della vita, dobbiamo andare alla ricerca dell’origine dei componenti del citoplasma. Certamente un citoplasma molto più
elementare di quello attuale, all’interno di un ambiente protetto, ma dove si esplicava un rudimentale meccanismo omeostatico. Quanto elementare debba essere stato il primitivo citoplasma è sempre oggetto di dibattito. Certamente non potevano mancare:
1) Piccole molecole organiche, soprattutto i costituenti degli acidi nucleici e delle proteine.
1) Proteine come enzimi, almeno qualche centinaio di specie secondo Dyson.
2) Molecole di acido nucleico, presumibilmente RNA.
4) Un ambiente circoscritto che protegga il citoplasma.
Per poter elaborare una teoria sull’origine della vita, è necessario conoscere l’origine di questi componenti tenendo presente due questioni:
Innanzitutto, come abbiamo già esposto altrove, in epoca prebiotica sul nostro pianeta hanno avuto origine miglia e miglia di sostanze organiche. Molte di queste sostanze non erano di nessuna utilità o erano addirittura dannose per  l’origine della vita. Allora, come vedremo già dal prossimo articolo, devono essere esistiti degli principi regolatori o dei vincoli, che hanno selezionato le sostanze giuste per le vita; per usare un’espressione metaforica, qualcosa deve aver diretto il traffico.
Inoltre è necessario conoscere, nelle loro linee generali, quali leggi chimico-fisiche consentono la comparsa di un primitivo citoplasma.
Queste leggi appartengono alla Termodinamica e alla Cinetica Chimica.
Mentre il 1° principio della termodinamica ci dice che l’energia né si crea né si distrugge ma può essere trasformata, è il secondo principio che sembra porre dei limiti all’origine della vita. La termodinamica distingue se un processo avviene in un sistema isolato, chiuso o aperto, e la risoluzione di problemi specifici inerenti a questi processi danno, agli studenti di chimico-fisica, parecchio filo da torcere. Però, con le dovute approssimazioni per renderle più accessibili ai non addetti ai lavori, queste leggi sono di facile comprensione perché tutti i fenomeni che noi osserviamo, in modo più o meno evidente, devono seguire queste leggi. La comprensione di queste leggi ci aiuterà a capire fino a che punto l’origine della vita può essere spiegata in termini di scienze fisiche. 
Immaginiamo un sasso su una collina. Se viene spinto il sasso rotola giù a fondo valle e la sua energia, attraverso l’attrito, viene trasformata in calore che si disperde nell’ambiente circostante. Non si è mai visto un sasso che spontaneamente recupera calore dall’ambiente e risale la collina.
Possiamo immaginare un treno in movimento cui viene a mancare la corrente elettrica. Il treno lentamente si ferma e, attraverso l’attrito tra ruote e rotaie e l’attrito con l’aria, la sua energia di movimento si trasforma in calore che si disperde nell’ambiente circostante. Non si è mai visto un treno che, senza la corrente elettrica, continua spontaneamente la sua corsa senza arrestarsi.
Infine immaginiamo un contenitore sopra un fornello con dell’acqua in ebollizione. Se si spegne il fuoco  l’acqua calda lentamente si raffredda fino a raggiungere la temperatura ambiente e il calore si disperde nell’ambiente circostante. Non si mai visto l’acqua spontaneamente riscaldarsi e raggiungere l’ebollizione.
Questi esempi illustrano il secondo principio della termodinamica e lo si potrebbe esprimere in tanti modi. Poiché questo principio è stato scoperto verso la metà dell’ottocento studiando le macchine termiche, il suo enunciato risulta: il calore non può passare spontaneamente da un corpo freddo a un corpo caldo.
Sembra un enunciato banale ma le sue implicazioni sono di fondamentale importanza e valgono per tutti i processi fisici, per la vita e per l’intero universo.
Intanto come si evince dagli esempi sopra elencati, nei processi spontanei si passa da uno stato energetico superiore ad uno stato energetico inferiore. La differenza di energia si trasforma in calore che si disperde nell’ambiente circostante sotto forma di movimento caotico delle particelle e non è più utilizzabile. C’è quindi in natura una tendenza spontanea dell’energia a passare da una forma utile, ordinata, ad una forma inutile e disordinata. Tale tendenza comporta che in tutti i processi spontanei si ha sempre un aumento del disordine, i processi spontanei tendono cioè verso il caos.
 
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Il disordine, in chimico-fisica, viene chiamata Entropia ed è chiaramente correlata al secondo principio della termodinamica. E infatti un altro modo di enunciare il secondo principio è il seguente: nei processi spontanei l’entropia è sempre in aumento.
Insomma, i processi fisicamente permessi sono quei processi che comportano un aumento del disordine, un aumento di entropia.
L’universo, iniziato con il Big Bang a milioni di miliardi di gradi, nella fase di espansione si sta raffreddando e raggiungerà, forse tra 50 o 100 miliardi di anni, il massimo di entropia e quindi la “morte termica”. Associato all’entropia c’è anche la perdita di strutture. Una casa, per esempio, anche se ben costruita, se abbandonata  con il tempo si deteriora fino a perdere completamente la sua struttura.
Poiché i processi spontanei, al trascorrere del tempo, procedono verso un aumento del disordine, l’entropia viene spesso denominata metaforicamente “la freccia del tempo”. Il tempo, infine, scorre in una sola direzione, verso l’aumento del disordine e della perdita di strutture, verso l’aumento di entropia.
Ma allora, se tutto procede verso un aumento di entropia, come è possibile che gli organismi viventi siano andati nella direzione opposta, cioè verso una maggiore complessità strutturale?
Ordine dal caos
Quando si afferma che durante un processo spontaneo l’entropia aumenta, si intende il risultato finale del processo non ciò che avviene in ogni singolo punto del processo stesso.  Il sasso caduto dalla collina, in presenza di un cataclisma può andare a finire nuovamente sulla collina ripristinando un certo ordine, ma alla fine del cataclisma il disordine deve risultare maggiore dell’ordine. L’universo è in espansione e la sua entropia è in aumento. Ciò non esclude che localmente si formi una stella con annesso un sistema solare ordinato, ma contemporaneamente da qualche parte nella galassia il disordine deve aumentare affinché in totale si abbia un aumento di entropia. Durante il processo evolutivo un organismo vivente può subire una mutazione e la sua struttura diventare più complessa, la sua entropia diminuisce. Se il nuovo organismo sarà più adatto all’ambiente, ci saranno organismi che non potranno più competere e si estingueranno. L’aumento di entropia dovuta all’estinzione supera di gran lunga  la perdita di entropia dovuta alla nuova struttura.
In conclusione, si può avere ordine dal caos.
Queste ultime argomentazioni valide per l’evoluzione sono valide anche per l’origine della vita? Può un ordine locale all’interno di un processo caotico dare origine ad un citoplasma elementare e quindi alla vita?  Ilya Prigogine era convinto che fosse possibile spiegare l’origine della vita attraverso una successione di ordini locali all’interno di un processo caotico. Egli all’inizio degli anni settanta del secolo scorso studiò i sistemi caotici, denominati anche sistemi lontani dall’equilibrio termodinamico. Ma ben presto fu chiaro che per l’origine della vita sarebbero stati necessari migliaia e migliaia di ordini locali e tutti correlati. È come immaginare che durante un cataclisma migliaia di sassi vengono riportati su una collina e tutti uno sopra l’altro a formare una colonna di sassi, cosa impossibile. La questione è che se all’interno di un sistema caotico un ordine locale si aggiunge ad un altro e poi ad un altro ancora aumenta sempre di più la probabilità che l’insieme collassi. Così, dopo un entusiasmo iniziale che contribuì ad assegnare a Prigogine il premio Nobel, l’idea fu definitivamente abbandonata.
Le argomentazioni sinteticamente descritte, elaborate da diversi scienziati, trova tra gli studiosi un generale consenso.
Riepilogando:
Il secondo principio della termodinamica è una legge fondamentale della natura, nulla può sottrarsi a questa legge. Essa stabilisce che tutti i processi spontanei procedono verso il disordine, verso la perdita di strutture, verso un aumento di entropia.
Il tempo scorre verso un aumento dell’entropia, essa viene metaforicamente denominata “la freccia del tempo”.
In un processo spontaneo non è escluso  l’origine di un ordine locale e quindi una diminuzione di entropia, ma nel totale l’entropia deve aumentare.
L’ordine locale ci aiuta a comprendere i processi evolutivi, ma il secondo principio della termodinamica, attraverso l’entropia sembra indicare l’impossibilità dell’origine di una complessità strutturale spontanea, cioè dell’origine di un primitivo citoplasma e quindi dell’origine della vita.
Eppure la vita ha avuto origine, come è stato possibile?
Caos dall’ordine
Se nulla può sottrarsi al secondo principio della termodinamica, l’origine di un primitivo citoplasma, che condusse all’origine della vita, deve essere stato un insieme di processi spontanei che hanno prodotto entropia: non ordine dal caos, ma caos dall’ordine.
Ma come si produce spontaneamente caos dall’ordine? Basta osservare come funzionano le saline. L’acqua del mare viene racchiusa in dei bacini dove lentamente evapora e il sale si deposita sul fondo. Ma il sale depositato non è una massa amorfa, cioè molecole di sale ammassate in modo disordinato. Le molecole di sale contengono cariche elettriche e una loro disposizione disordinata, per esempio con cariche positive in prossimità di altre cariche positive, avrebbe un contenuto energetico troppo elevato, cioè instabile. Il sale dà quindi origine ad una struttura ordinata e rigorosamente geometrica, una struttura cubica perfetta, una struttura cristallina dove le cariche positive sono orientate verso le cariche negative.
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 La struttura cristallina ordinata è più stabile, ha un contenuto energetico inferiore rispetto a una disposizione disordinata. La differenza di energia tra la struttura disordinata e la struttura ordinata viene ceduta all’ambiente circostante aumentando  l’entropia. L’ordine ha generato caos. Questo è il processo attraverso il quale si sono formati tutti gli splendidi cristalli che noi troviamo in natura. Allora, per comprendere    l’origine di un citoplasma primitivo, dobbiamo andare alla ricerca di un insieme di processi spontanei di questo tipo dove è l’ordine a  generare caos.
Il secondo principio della termodinamica è una legge fondamentale della natura, esso ci indica la direzione di un evento ma non ci dice nulla riguardo al tempo in cui tale evento possa avvenire.
La termodinamica prevede che il sasso sulla collina, se viene spinto, andrà a fondo valle. Ma se il sasso non viene spinto l’entropia deve attendere. Secondo la termodinamica la benzina in presenza di ossigeno deve reagire, dare altri prodotti e liberare calore. Noi però non osserviamo nessuna combustione. Una proteina enzimatica  è, inizialmente, una catena lineare di amminoacidi. Tralasciamo per il momento come abbia potuto formarsi una catene lineare di amminoacidi. Secondo la termodinamica, in presenza di acqua e a temperatura ambiente, tale proteina è instabile, si dovrebbe decomporre e liberare gli amminoacidi, ma ciò non avviene.
L’entropia, denominata metaforicamente “la freccia del tempo”, di fatto non contiene il tempo.
A introdurre la funzione tempo nei processi chimici è la Cinetica Chimica. E infatti la cinetica chimica ci dice che la benzina reagisce con l’ossigeno, ma la velocità con cui tale reazione avviene a temperatura ambiente è quasi zero. E lo stesso vale per la decomposizione delle proteina.
In definitiva per muovere il sasso e farlo rotolare giù dalla collina ci vuole energia. Ci vuole energia per rompere i legami all’interno delle molecole della benzina, e ci vuole energia per rompere i legami tra gli amminoacidi nella molecola delle proteine. La cinetica chimica ci dice che tale energia, a temperatura ambiente, non è disponibile e quindi, malgrado le previsioni della termodinamica, le reazioni non avvengono. Ed è qui, in questo spazio temporale, nell’attesa di un evento che dovrebbe avvenire ma non avviene, che si apre un varco per la vita.
Per ritornare al primo esempio, se il sasso non viene spinto non rotola giù, ma se piove la terra diventa più plastica ed il sasso spontaneamente affonda aumentando l’entropia. Il sasso è adesso più stabile e per spingerlo ci vuole più energia. Per rompere i legami    
tra gli amminoacidi nella catene lineare delle proteine ci vuole energia che però non è disponibile a temperatura ambiente. Ma, poiché la molecola proteica contiene al suo interno cariche positive e cariche negative, essa si ripiega stabilendo nuovi legami tra le cariche e dà origine ad una struttura elicoidale più ordinata. Come ci spiega Peter W. Atkins in “Il secondo principio” 1996, nel capitolo 8: «L’elica-α è favorita rispetto ad un ammasso irregolare di amminoacidi in quanto corrisponde alla situazione di maggior caos dell’universo. La catena stessa è certamente dotata di un caos minore, a causa della disposizione a spirale più ordinata dei legami peptidici, ma il caos universale è maggiore a causa dell’energia che si libera al momento della formazione dei forti legami idrogeno». L’energia  viene liberata sotto forma di calore che aumenta l’agitazione delle molecole di acqua e quindi il disordine complessivo, cioè l’entropia                                                             
Successivamente la proteina, per effetto di determinate interazioni tra le diverse parti della molecola, si ripiega in una struttura globulare. Anche questa struttura, più ordinata, libera energia che si disperde nell’ambiente dando origine nel complesso ad un aumento di entropia. La molecola risulta ancora più stabile e per decomporla bisogna fornire più energia per rompere questi nuovi legami. Un primitivo citoplasma deve aver avuto origine attraverso l’interazione tra molecole proteiche, all’interno del secondo principio della termodinamica, dove è l’ordine a generare caos, la formazione di strutture a produrre entropia.
Le leggi della fisica sono universali, nello spazio e nel tempo. Il secondo principio della termodinamica deve essere apparso fin dall’origine dell’universo, circa 13 miliardi di anni fa. Ma l’universo all’inizio era costituito solo da idrogeno e piccole quantità di elio e litio. È a partire da questi elementi che nelle stelle, dopo alcuni miliardi di anni, si sono formate tutti gli altri elementi. Secondo Dimitar Sasselov in “Un’altra terra” 2012, sono stati necessari almeno 6 miliardi di anni affinché ci fossero una quantità di carbonio, ossigeno, silicio e ferro sufficiente a dare origine a pianeti rocciosi e ai primi composti del carbonio. Questo significa che il secondo principio della termodinamica ha operato per miliardi di anni sulla chimica inorganica producendo entropia e dando origine a cristalli inerti. I cristalli danno spesso origine a splendide e complesse strutture geometriche o aggregati dove brillano i più vari colori.
La  difficoltà iniziale a comprendere l’origine dei cristalli, ha spinto varie credenze popolari ad attribuire virtù magiche ai cristalli e alcuni studiosi hanno attribuito perfino anime ai sassi. Ma, come abbiamo già scritto altrove, fin dai tempi di Stenone intorno alla metà del 1600 e successivamente di Renato Haüy, scienziati che hanno dato inizio allo studio dei cristalli, nessuno studioso di cristallografia, di mineralogia e di geologia ha mai individuato nei cristalli virtù magiche, o anime.
La materia inorganica è inerte, inanimata.
Quando dopo 6 miliardi di anni dall’origine dell’universo appaiono gli amminoacidi che danno origine  alle proteine, il secondo principio segue lo stesso schema ricava entropia generando strutture ordinate. Ma le proteine gli riservano delle sorprese, non sono inerti come i cristalli. Le proteine hanno la capacità di riconoscere molecole e svolgere funzioni e, pur concedendo qualcosa al caos, operano costruendo strutture complesse, gli organismi viventi, che si oppongono al caos.
Il secondo principio della termodinamica si è portato il diavolo in casa.
La difficoltà a comprendere l’origine della vita ha ispirato e ispira ancora miracoli e spiriti vitali. In realtà ciò che non abbiamo ancora ben capito è il segreto che nascondono le proteine.
Negli ultimi vent’anni è stata fatta un enorme ricerca per comprendere la struttura, la dinamica e il funzionamento delle proteine. Mike Williamson, biochimico all’università di Sheffield, ha compendiato il risultato di queste ricerche in un volume, “Come funzionano le proteine” 2013. Secondo Williamson gli enzimi non sono “speciali”. Eppure, come egli ci informa, a milioni all’interno della cellula, le une a contatto con le altre, svolgono funzioni metaboliche diverse.  Alcune proteine, riunite in complessi enzimatici, sono delle vere e proprie macchine molecolari che richiedono un notevole coordinamento e nei complessi multienzimatici l’intero è più della semplice somma delle parti. Le reazioni cicliche somigliano ad una vera e propria linea di produzione, nella quale ciascun enzima svolge la sua funzione specifica e il substrato viene passato da uno specialista al successivo. Gli enzimi sono sottoposte, attraverso proteine specializzate, ad un sistema di controllo qualità e quelle che non superano il controllo vengono marchiate e successivamente degradate. Senza dimenticare interruttori simmetrici, pompe e la sociologia della cellula in relazione alle dinamiche dei complessi molecolari. E infine, la pressione selettiva può dare origine a nuove funzione attraverso la duplicazione genica; così, una copia viene mantenuta per la funzione originale, mentre la seconda copia è soggetta all’operato dell’evoluzione.
In definitiva, la tecnologia e le procedure che l’uomo ha inventato  nell’ultimo secolo, gli organismi viventi, a livello molecolare, la usano da oltre tre miliardi di anni grazie alle proteine.
E le proteine non sarebbero speciali?
In realtà, speciali sono già gli amminoacidi, composti unici, con le giuste proprietà necessarie alla vita; e speciali sono gli enzimi, senza la loro comparsa non esisterebbe la vita e quindi non esisterebbe la chimica organica.
Nel primo capitolo Williamson scrive: «Qual è lo scopo delle proteine? spero si riconosca che lo “scopo” di una proteina è quello di assolvere a una qualche funzione che aiuti l’ospite a propagare la specie (che significa migliorarne la capacità di adattamento). Le proteine non possiedono altra funzione che possa rientrare appropriatamente nella definizione di “scopo”. […] Le proteine non hanno una “coscienza” non “cercano di raggiungere” nessuno scopo. […] Di conseguenza, quando cerchiamo di capire quale sia la funzione di una proteina, dobbiamo ragionare con cautela. Nella vita vera (“in natura”) si può legittimamente affermare che la funzione consista nel rendere l’organismo sempre più adatto». Questa è però una conclusione riduttiva e riguarda proteine che, durante il processo evolutivo degli organismi viventi, la selezione naturale ha sviluppato per funzioni specifiche. C’è un fatto fondamentale che viene ignorato: le proteine svolgono la loro funzione anche senza la presenza dell’ospite. Già Eduard Buchner nel 1897 aveva messo in evidenza come la fermentazione avvenisse ugualmente anche se le cellule di lievito venivano distrutte. Nel 1926 James Summer riuscì a sintetizzare il primo enzima, l’ureasi che decompone l’urea in anidride carbonica e acqua. Insomma, la funzione le proteine ce l’hanno già da sé, all’interno della cellula la selezione naturale la sta solo manipolando. La chiave dell’origine della vita sta proprio in questa capacità delle proteine di riconoscere la forma delle molecole e di modificarle anche se non si trovano all’interno di una cellula. Ed è grazie a questa funzione che, partendo da molecole più semplici è stata possibile la sintesi di molecole complesse necessarie per l’origine della vita. Ora, se come scrive Williamson all’interno della cellula la funzione delle proteine è quella di migliorare la capacità di adattamento dell’ospite, se le proteine son fuori dalla cellula, se l’ospite non c’è, le proteine per chi stanno svolgendo la loro funzione?
Certamente, si può assumere un atteggiamento agnostico, ma ci si può anche domandare: qual è il segreto che le proteine nascondono nel loro scrigno?


                                                                           Giovanni Occhipinti

Prossimo articolo: L'origine delle proteine (metà dicembre)

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