Post n.9
Introduzione
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.
digilander.iol.it |
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?
Che
gli omini rossi li abbia visto Empedocle prima di bruciare!
it.wikipedia.org/wiki/Titano |
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.
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.
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.
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)
ww2.unime.it |
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.
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.
abcterra.altervista.org |
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.
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
it.wikipedia.org/wiki/Empedocle |
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!
Riepilogando:
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.
Nell’universo.
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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