Post n. 2
La sedimentazione di piccoli granuli di calcare e silicati su colonie di microorganismi dà origine a strutture stratificate chiamate stromatoliti. Queste strutture si trovano, oggi, in varie regioni del nostro pianeta, ma le più straordinarie si trovano in Australia.
In una località dell’Australia, chiamata North Pole, sono state rinvenute anche strutture simili a stromatoliti datate 3,5 miliardi di anni fa e sono, probabilmente, le più antiche tracce che la vita ha lasciato sul nostro pianeta.
STROMATOLITI OGGI STROMATOLITI NORTH POLE
Wikipedia, autore: Ruth Allison
Le Scienze Quaderni
Sappiamo che il nostro sistema solare ha avuto origine 4,6 Miliardi di anni fa dalla condensazione di una nube di gas e polveri. Abbiamo, quindi, ca 1 miliardo di anni vuoto tra la formazione del nostro pianeta e la comparsa dei procarioti ca 3,5 miliardi di anni fa. Il nostro pianeta era all’inizio caldissimo e martoriato dagli impatti di meteoriti e asteroidi, la sua superficie era fusa. Quando questi fenomeni cominciarono a diradarsi, dopo circa mezzo miliardo di anni, la terra si è rapidamente raffreddata, l’acqua ha potuto condensare e raccogliersi negli oceani. Quindi approssimativamente tra 4 e 3,5 miliardi di anni fa devono essersi formate le sostanze fondamentali che hanno dato origine alle prime cellule (procarioti).
STROMATOLITI OGGI STROMATOLITI NORTH POLE
Le Scienze Quaderni
Sappiamo che il nostro sistema solare ha avuto origine 4,6 Miliardi di anni fa dalla condensazione di una nube di gas e polveri. Abbiamo, quindi, ca 1 miliardo di anni vuoto tra la formazione del nostro pianeta e la comparsa dei procarioti ca 3,5 miliardi di anni fa. Il nostro pianeta era all’inizio caldissimo e martoriato dagli impatti di meteoriti e asteroidi, la sua superficie era fusa. Quando questi fenomeni cominciarono a diradarsi, dopo circa mezzo miliardo di anni, la terra si è rapidamente raffreddata, l’acqua ha potuto condensare e raccogliersi negli oceani. Quindi approssimativamente tra 4 e 3,5 miliardi di anni fa devono essersi formate le sostanze fondamentali che hanno dato origine alle prime cellule (procarioti).
Questo è il compito della chimica prebiotica, scoprire cioè come la vita abbia potuto originarsi dalla materia inanimata.
I procarioti, anche se semplici, hanno comunque cellule molto complesse. Non è possibile che la vita abbia avuto origine direttamente con i procarioti. Prima dei procarioti esistevano sicuramente organismi, chiamati proto organismi, molto più semplici e rudimentali.
Ma quanto semplici?
Ma quanto semplici?
Tutti gli organismi sono “ macchine “ più o meno complesse, ma tutti non possono fare a meno di 2 macromolecole fondamentali: gli acidi nucleici e le proteine (gli enzimi).
Queste 2 macromolecole sono inoltre interdipendenti nel senso che l’acido nucleico (spesso identificato come il software) contiene il programma di come sintetizzare le proteine. Ma l’acido nucleico da solo non riesce a sintetizzarsi e ha bisogno delle proteine (hardware) per essere sintetizzato. Ecco perché sono interdipendenti: l’uno ha sempre bisogno dell’altro.
Il proto organismo, anche se molto semplice, doveva contenerli entrambi. Dobbiamo andare quindi alla ricerca delle molecole fondamentali, cioè i costituenti, che hanno dato origine a queste macromolecole . Questi elementi costitutivi sono: i nucleotidi per gli acidi nucleici e gli amminoacidi per le proteine.
Il proto organismo, anche se molto semplice, doveva contenerli entrambi. Dobbiamo andare quindi alla ricerca delle molecole fondamentali, cioè i costituenti, che hanno dato origine a queste macromolecole . Questi elementi costitutivi sono: i nucleotidi per gli acidi nucleici e gli amminoacidi per le proteine.
NUCLEOTIDE AMMINOACIDO (Ala)
La prima teoria sull’origine della vita dalla materia inanimata risale intorno al 1930, ad opera di Oparin e Haldane, ed è nota come: teoria del brodo prebiotico (o primordiale). In particolare, Haldane, immagina un’atmosfera primitiva non ossidante, costituita da idrogeno (H2), acqua (H2O), biossido di carbonio (CO2) e presumibilmente anche metano (CH4), ed ammoniaca (NH3). Da queste sostanze con apporti di energia dall’esterno si sarebbero formate le sostanze fondamentali per l’origine della vita. Queste, trasportate dalla pioggia e dai fiumi, si sarebbero raccolte in un primitivo oceano che ha funzionato come brodo di coltura per successive sintesi di macromolecole e infine per la comparsa dei primi organismi viventi.
Nel 1953 S. Miller, simulando un ambiente prebiotico, come suggeriva la teoria di Haldane, utilizzando CH4, NH3, H2, H2O, e come fonte di energia scariche elettriche, riuscì a sintetizzare per la prima volta, per via abiotica, parecchie sostanze organiche e tra queste parecchi amminoacidi alcuni dei quali componenti delle nostre proteine. Questo esperimento sembrò una conferma della teoria di Oparin-Haldane nella sua globalità. Ben presto però alcuni ostacoli risultarono insormontabili alla teoria del brodo prebiotico.
1) I nucleotidi, costituenti degli acidi nucleici, sono composti da fosfato, ribosio e basi azotate. Ribosio e basi azotate non sono stati mai trovati in esperimenti tipo Miller e quindi gli acidi nucleici nel brodo prebiotico erano assenti.
2) Gli amminoacidi formatisi per via prebiotica erano sicuramente chirali. Di essi esiste una struttura L (levo) e la sua immagine speculare D (destro).
Ora, in tutti gli organismi viventi, gli amminoacidi che concorrono alla formazione delle proteine hanno tutte struttura L.
Ala L
Il disordine molecolare del brodo prebiotico con un gran numero di sostanze organiche diverse, avrebbe impedito la formazione di polipeptidi di amminoacidi L. Tale disordine avrebbe prodotto reazioni incrociate tra amminoacidi L e D e reazioni con altri composti presenti in soluzione. Come è avvenuta la scelta degli amminoacidi L e che fine ha fatto il destro?
3) Nell’esperimento di Miller sono stati trovati circa 60 amminoacidi diversi, ma negli organismi viventi gli amminoacidi che compongono le proteine sono 20. Come è avvenuta tale scelta nel brodo prebiotico?
4) La reazione tra amminoacidi per la formazione delle proteine e delle più importanti macromolecole necessarie alla vita avviene con l’eliminazione di H2O.
In condizioni prebiotiche, in ambiente acquoso, questa reazione è praticamente impossibile.
5) L’atmosfera non conteneva ossigeno e quindi lo scudo di ozono era assente. I raggi ultravioletti, in quantità molto maggiori di quelli attuali, raggiungevano la superficie del pianeta. In un primitivo oceano essi raggiungevano la profondità di circa 10 m distruggendo qualsiasi forma di vita in formazione e le stesse sostanze organiche necessarie. Diffusione e agitazione termica avrebbero prima o poi portato tutte le sostanze in questa fascia e sarebbero state distrutte.
La chimica prebiotica non è riuscita a risolvere nessuno di questi problemi, ma ad ognuno di essi ha sempre trovato una risposta “ad hoc”. E così dopo 60 anni di ricerche siamo ancora all’esperimento di Miller.
Intanto il brodo prebiotico è diventato un mito, il primo mito della chimica prebiotica.
Molti ricercatori, che accettano la teoria del brodo prebiotico, si affrettano a precisare che il loro approccio sul problema dell’origine della vita è essenzialmente deterministico. Ma nel brodo prebiotico la vita può aver avuto origine solo attraverso un evento fortuito e altamente improbabile: un evento casuale. Sarebbe più logico parlare di “miracolo”, perché partendo da materiale inorganico, per sintetizzare biomolecole complesse, è necessaria una successione di passi non riproducibile attraverso un processo casuale. Il caso non ha memoria e non può dare origine a processi congruenti.
Secondo alcuni scienziati, dato un tempo sufficientemente lungo, anche eventi che sembrano miracolosi divengono possibili. Così anche questa volta abbiamo la risposta “ad hoc”: i tempi lunghi. E così ci si affida di nuovo al caso.
E il caso diventa il secondo mito della chimica prebiotica.
E poiché il caso può verificarsi solo una volta, si conclude che tutti gli organismi viventi discendono da un unico progenitore comune (o universale).
Il progenitore comune è diventato il terzo mito della chimica prebiotica.
Il brodo prebiotico, il caso, e il progenitore universale, sono tre miti da cui dobbiamo liberarci per non rimanere ancora per lungo tempo all’esperienza di Miller.
Eppure una teoria, diversa e più credibile di quella del brodo prebiotico, esisteva già prima dell’esperimento di Miller. Nel 1951 J. D. Bernal suggerì che le argille avrebbero potuto selezionare e proteggere dai raggi ultravioletti le sostanze fondamentali per l’origine della vita e successivamente catalizzare la formazione delle macromolecole necessarie alla vita. Il meccanismo chimico-fisico a sostegno di tali processi era già noto. Tra il 1890 ed il 1930 sono stati scoperti e studiati doppi strati elettrici generati da silice, silicati, vetro; tutte sostanze che presentano forze elettriche superficiali residue. Tali doppi strati elettrici sono assimilabili a condensatori e come tali sono stati studiati intorno al 1915 da Helmholtz, Gouy e Stern. È noto che i condensatori attraggono al loro interno sostanze ad elevata costante dielettrica. Gli amminoacidi in soluzione danno origine a ioni dipolari con elevata costante dielettrica. Uno studio sulle interazioni tra i doppi strati elettrici e gli amminoacidi è stato eseguito alla Magistri Cumacini di Como. Gli indizi sperimentali sembrano confermare la brillante idea di Bernal.
Il quarzo cristallino è costituito da strutture elicoidali le cui unità costitutive sono tetraedri di SiO4. Tali strutture elicoidali possono svilupparsi in senso destrorso (quarzo D) o sinistrorso (quarzo L) e dare origine a cristalli che sono uno l’immagine speculare dell’altro.
Quando una delle forme viene messa a contatto con una soluzione, sulla superficie si generano dei micro condensatori, e quindi campi elettrici, le cui linee di forza bisogna immaginarle di forma elicoidale, cioè come il “foro di una vite” orientato in senso destrorso o sinistrorso.
Simulazione al computer; campo elettrico in prossimità della superficie del quarzo
Gli amminoacidi, costituenti delle proteine, sono sostanze ad elevata costante dielettrica, sono chirali, cioè ognuno di essi si presenta sotto due forme, Destro e Levo, che sono una l’immagine speculare dell’altra e non sovrapponibili. Ogni atomo o gruppo atomico, presenta legami covalenti polari e di conseguenza è un dipolo.
Poiché l’atomo di carbonio asimmetrico ha una struttura spaziale, i dipoli della forma Destro e quelli della forma Levo, essendo la sua immagine speculare, bisogna immaginarli di forma elicoidale, cioè come una “vite” orientata in senso destrorso o sinistrorso.
I dati sperimentali sulle interazioni tra diaframmi di quarzo e amminoacidi, e la scoperta che la silice colloidale ruota il piano della luce polarizzata e presenta probabilmente una singola struttura elicoidale sinistrorsa, sembrano confermare il ruolo avuto dalla terraferma sull’origine della vita.
Questi dati indicano che probabilmente la silice colloidale ha trattenuto sulla terraferma l’amminoacido levo mentre il destro è stato trasportato dalle acque e dai fiumi nel primitivo oceano dove si è distrutto.
Sulla terraferma è avvenuta anche la scelta degli amminoacidi naturali.
È probabile l’esistenza di un sistema chimico-fisico di riconoscimento e complementarietà tra tripletta di basi e amminoacido, che potrebbe chiarirci, sia l’interdipendenza tra acidi nucleici e proteine, che un primitivo meccanismo di sintesi delle proteine. Questo tipo di riconoscimento diretto tra tripletta di basi e amminoacido, potrebbe aver funzionato prima della comparsa dell’attuale meccanismo, molto elaborato, che comporta la partecipazione di RNA di trasporto, ribosomi ed enzimi.
L’origine della vita appare quindi non più un evento miracoloso ma un processo deterministico, che non lascia spazio ad un unico progenitore comune a tutti gli organismi viventi.
Come già detto, doppi strati elettrici sono stati osservati in presenza di sabbie, argille e silicati a contatto con soluzioni. In alcune di esse i campi elettrici danno linee di forza senz’altro parallele ed equidistanti. D’altra parte la maggior parte delle molecole necessarie alla formazione delle macromolecole fondamentali per la vita, presentano legami covalenti polari e quindi, dipoli lineari e costante dielettrica non trascurabile.
Come l’esperienza di Miller ha dimostrato, l’atmosfera primitiva deve essere stata sede di sintesi di un gran numero di sostanze organiche per la maggior parte inutili ,se non dannose, e che avrebbero ostacolato il formarsi di polimeri fondamentali. Prioritario è l’ordine. È d’obbligo pensare che un primo passo debba essere stato la loro separazione.
É possibile quindi ipotizzare che questi doppi strati elettrici abbiano funzionato da filtro elettrochimico, selezionando e accumulando sulla terraferma, come ipotizzava Bernal, le sostanze necessarie per l’origine della vita, mentre tutte le molecole non necessarie siano state trasportate dalle acque nell’oceano primitivo.
Ed è all’interno di questi doppi strati elettrici, separati i destri dai levo ed al riparo dai raggi ultravioletti, secondo le leggi naturali, che la vita ha dovuto compiere i suoi primi passi.
Oceani, stagni e paludi altro non erano che contenitori di rifiuti molecolari dove si riversava tutto ciò che non era necessario alla formazione delle macromolecole fondamentali per il sorgere della vita. Il brodo prebiotico non è mai esistito (e semmai era polenta prebiotica).
La vita non può quindi avere avuto origine nel mare e ciò in considerazione, come è stato ricordato sopra, degli ostacoli che si oppongono alla teoria del brodo prebiotico. Viceversa è sulla terraferma che la vita ha trovato l’ambiente della sua origine, tante origini, tutte quasi uguali, perché quasi uguali erano le condizioni chimico‑fisiche.
Giovanni Occhipinti
Per approfondire:
in libreria: ISBN 978-88-488-1097-5
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