IL BRODO PRIMORDIALE nel 2022 (Il primo mito: origine, aspettative e fallimenti.)

 

Post n.3 Aggiornato (1a Parte)

 

Ma quando inizia la teoria del “brodo primordiale” (o prebiotico)?

Intorno al 1870 in una lettera ad un amico Darwin scriveva: «Se (ed è un se bello grosso) potessimo immaginare che in una piccola pozza calda, ricca di ammoniaca, sali fosforici, luce, calore, elettricità, ecc., si fosse formato chimicamente un composto proteico, pronto a passare attraverso cambiamenti ancor più complessi [...]». Ma la posiziona ufficiale di Darwin era ferma e chiara: allo stato attuale delle conoscenze non è possibile (ultra vires) formulare un teoria sull’origine della vita.

Nel 1924 A. I. Oparin, che allora ricopriva la cattedra di Biochimica vegetale all’università di Mosca traduce quest’idea in una sorta di teoria scientifica e la pubblica in un libro “Origine della vita” Ed.Bor. 1977:. Secondo Oparin sul nostro pianeta il carbonio era legato ai metalli sotto forma di carburi. Questi, venendo a contatto con vapore acqueo, hanno reagito dando origine a idrocarburi e per successive reazioni a tanti altri composti organici. Quando la temperatura sulla superficie della terra scese sotto i 100°C, l’acqua iniziò a condensare e tutti questi composti, contenuti nell’atmosfera, vennero trascinati in un “primitivo oceano bollente” dove iniziarono a reagire formando molecole sempre più grandi. L’aggregazione successiva di queste macromolecole avrebbe dato origine a particelle di gel, “coacervati”. I coacervati organici avrebbero assorbito e assimilato sostanze dall’ambiente e successivamente, dividendosi, avrebbero dato origine a “organismi primitivi” alcuni capaci di metabolizzare. Il processo evolutivo e la selezione naturale avrebbero dato origine, alla fine, a tutti gli organismi viventi.

                                                       Ev-03.jpgAggregatimolec.Brodo priom.1

Secondo Mario Ageno (Biofisica 3 1984), allievo di Enrico Fermi e collaboratore di Edoardo Amaldi, attento e profondo studioso di Biofisica: «L’idea fondamentale è certamente molto brillante e non perde il suo interesse neppure oggi. Ciò tuttavia non deve far dimenticare che una simile «teoria» passa sotto silenzio tutti i grossi problemi, tutte le più grosse sfide che l’idea di una origine della vita dalla materia inorganica per cause naturali pone alla nostra mente».

Ma anche Haldane, pur aggiungendo un’idea brillante, non va oltre.

Nel 1929 J. B. S. Haldane, senza conoscere le idee di Oparin, pubblica un breve articolo sull’ origine della vita. Secondo Haldane l’atmosfera primitiva non conteneva Ossigeno ma, probabilmente, H₂ (idrogeno), H₂O (acqua), CO₂ (anidride carbonica), e presumibilmente anche CH₄ (metano) NH₃ (ammoniaca). Molecole più complesse si sarebbero formate nell’atmosfera per effetto delle radiazioni solari. Questi composti organici, trascinati dalle piogge si sarebbero accumulati nell’oceano primitivo dove reagendo avrebbero formato molecole complesse dando origine ad un “brodo caldo diluito” e qui avrebbero avuto origine i primi organismi.

Il brodo caldo diluito fu subito tradotto in “Brodo Primordiale”; nata la metafora, inizia la teoria.

Intorno al 1950 con H. Urey e S. Miller inizia un programma operativo di ricerche. In particolare, utilizzando una miscela di gas formata da H₂ (idrogeno), H₂O (acqua), CH₄ (metano) NH₃ (ammoniaca) simile alle atmosfere di Giove, Saturno e Urano, con apporto di energia (scariche elettriche), Miller riuscì a produrre amminoacidi, che sono componenti delle proteine, e molte altre sostanze organiche.

Sembrava quindi confermata la teoria di Haldane di un atmosfera primitiva priva di O₂, della formazione, nell’atmosfera, delle sostanze fondamentali per l’origine della vita e la loro raccolta in un “Brodo Primordiale” dove si sarebbe originata la vita.

Nasce in questo periodo la chimica prebiologica che si propone di individuare, oltre agli amminoacidi già scoperti, la formazione delle molecole fondamentali per l’origine della vita e la loro sintesi in un ambiente simile a quello della terra all’epoca della comparsa della vita. Negli anni che seguirono furono compiute diverse verifiche che confermarono i risultati dell’esperimento di Miller. Inoltre diversi ricercatori hanno eseguito esperimenti “alla Miller” 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.

Nello stesso periodo le stesse sostanze, in particolare gli amminoacidi, sono stati trovati nei meteoriti (condriti carbonacee) 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. Le scoperte sollevarono un grande entusiasmo tra gli scienziati e sembrava che, ben presto, si sarebbe riusciti a svelare il mistero della vita.  Ma i grossi problemi, passati sotto silenzio da Oparin e Haldane nella teoria del brodo prebiotico, risultarono insormontabili non solo, come vedremo, da un punto di vista chimico-fisico, ma anche da un punto di vista di contemporaneità e di localizzazione. Non è pensabile infatti che i processi che andiamo ad elencare possano essere avvenuti in tempi diversi perché nell’attesa le sostanze fondamentali per l’origine della vita si sarebbero decomposte. E neanche è pensabile che siano avvenuti in luoghi diversi perché in questo caso le sostanze fondamentali non si sarebbero mai incontrate.

Ma quali sono, infine, i grossi problemi che la teoria del brodo prebiotico passa sotto silenzio?

Per ognuno di questi problemi, si riporta qualche commento di autorevoli scienziati e, se ci sono, le soluzioni proposte dai sostenitori della teoria del brodo primordiale.

1) Le molecole degli amminoacidi, componenti delle proteine, esistono sotto due forme, Destro e Levo, e sono una l’immagine speculare dell’altra. Se si preparano gli amminoacidi in laboratorio, per esempio l’Alanina, ciò che si ottiene è 50% di Alanina Destro e 50% di Alanina Levo. Queste due forme molecolari presentano le stesse proprietà chimico-fisiche e viaggiano sempre insieme, non è possibile una loro naturale separazione in un brodo prebiotico o in laboratorio se non è presente una sostanza asimmetrica; ma questo sposterebbe il problema sull’origine della nuova sostanza asimmetrica. Anche gli amminoacidi scoperti da Miller nel suo ormai famoso esperimento erano metà Destro e metà Levo, e cosi anche gli amminoacidi trovati nei meteoriti. Quindi nel mondo prebiotico gli amminoacidi dovevano essere metà D e metà L.

                                                Ala L                             Ala D

 

La questione è che, le proteine di tutti gli organismi viventi sono costituite da amminoacidi Levo.

Ala L

 Come è avvenuta la loro separazione e che fine ha fatto il Destro?

Secondo Dickerson(Le Scienze; Gli albori della vita, 1984):«[…]può darsi che, in un certo periodo vi sia stata una vita primitiva, o dei precursori di questa, basata sia sugli Amminoacidi D sia su quelli L con una probabilità del 50% e che, alla fine, prevalessero sugli altri gli amminoacidi L».

Quest’ultima soluzione è ritenuta inverosimile dalla maggior parte degli scienziati. È già difficile immaginare l’origine di una vita primitiva, immaginarne due, una Destro e l’altra Levo, è veramente arduo.

R. A. Hegstrom e D. K. Kondepudi,hanno affrontato il problema dell’asimmetria in un articolo su Le Scienze “La chiralità dell’universo” 1990. Come illustrano gli autori, i composti chimici hanno origine attraverso interazioni elettromagnetiche degli atomi di cui sono costituiti. Durante questi processi si dice che si conserva la parità, cioè se si forma un composto la sua immagine speculare ha la stessa probabilità di formarsi.

Le particelle costituenti l’atomo, protoni, neutroni ed elettroni, sono tenuti assieme da diverse forze. Due di queste forze, la forza nucleare debole e la forza elettrodebole, non conservano la parità.

Nella crosta terrestre del nostro pianeta esistono degli elementi i cui atomi si decompongono ed emettono delle radiazioni (decadimento radioattivo). Durante il decadimento radioattivo vengono emessi anche elettroni ad alta velocità, i raggi β (beta).  Senza entrare troppo nei particolare, responsabile di questo decadimento è la forza nucleare debole, e poiché essa non conserva la parità vengono emessi più elettroni sinistrorsi che destrorsi. Quando i raggi β colpiscono le molecole chirali li decompongono, ma essendo in maggioranza sinistrorsi distruggono preferenzialmente una forma lasciando un eccesso della sua immagine speculare. Si è pensato quindi che la forza nucleare debole fosse responsabile dell’asimmetria della vita. È stato scoperto che la differenza relative nei tassi di decomposizione è dell’ordine di una parte su 10⁹, cioè di una parte su 1 000 000 000 (un miliardo).

La seconda forza, la forza elettrodebole dà un suo contributo alla formazione dei composti.

Poiché anche questa forza non conserva la parità è stato calcolato che durante la loro formazione, in epoca prebiotica, gli amminoacidi levo dovevano essere più abbondanti dei destro nell’ordine di uno su 10¹⁷, ci risparmiamo di scrivere un 1 seguito da 17 zeri.

Pur essendo questi contributi molto piccoli per determinare un’asimmetria molecolare, Kondepudi e un collaboratore, Nelson, hanno tentato di dimostrare teoricamente che in particolari condizioni possono esistere processi di amplificazione. Egli immagina una vasca dove competano destro e levo e scrive: «E la vasca dovrebbe essere abbastanza grande e sufficientemente ben mescolata (il rimescolamento dovrebbe riguardare all’incirca una superfice di 10 chilometri quadrati e una profondità di parecchi metri) per eliminare in gran parte l’effetto risultante delle fluttuazioni casuali. Se fossero soddisfatte tutte queste condizioni, la forza nucleare debole dovrebbe essere in grado, in un periodo compreso tra 50000 e 100000 anni, di influenzare fortemente il processo di rottura della simmetria». Kondepudi e Hegstrom concludono: «Abbiamo esposto numerosi modelli per dimostrare come si possa essere sviluppata l’asimmetria chirale nelle biomolecole. […]. Tuttavia, nessuno di essi è valso a indicare un particolare gruppo di composti prebiotici dotati di tutte le proprietà richieste da questi modelli».

Il problema dell’asimmetria molecolare viene ripreso nel 2001 da Robert M. Hazen con un articolo su Le Scienze: “Vita dalle rocce”. Come indica il titolo, Hazen rivolge la sua attenzione al mondo minerale e prefigura un modello unico. Cioè, egli immagina che concentrazione, selezione e sintesi possano essere avvenute all’interno di piccole sacche d’aria di pomici vulcaniche o di rocce feldspatiche. Per questi eventi l’autore non prende in considerazioni eventi deterministici e anzi afferma: «Il caso potrebbe aver prodotto una combinazione di molecole che avrebbero alla fine meritato di essere chiamate “viventi”». Hazen affronta, quindi, il problema dell’asimmetria molecolare rivolgendo la sua attenzione ai cristalli di calcite, calcari e marmi, perché questi cristalli formano coppie di facce speculari. Come egli ci spiega, i cristalli di calcite venivano immersi in una soluzione che conteneva un amminoacido Destro e Levo al 50%. Dopo 24h il cristallo veniva estratto e lavato e la soluzione analizzata. Le facce sinistrose della calcite selezionavano principalmente l’amminoacido L con un eccesso del 40% e viceversa. Hazen non si pone il problema di ricercare le cause fisiche di queste fenomeno e afferma: «Stranamente le facce più terrazzate erano quelle più selettive. Questo fatto ci condusse a prevedere che i bordi delle terrazze potesse costringere gli amminoacidi ad allinearsi in file ordinate sulle loro rispettive facce». Poiché le facce dei cristalli sinistrorse e destrorse sono in misura uguale egli conclude: «Fu per puro caso che la molecola destinata al successo si sia sviluppata in una faccia cristallina che preferiva gli amminoacidi sinistrorsi rispetto alla loro controparte destrorsa».

In definitiva un modello unico ma casuale, cioè un miracolo.

2)  Gli amminoacidi che compongono la nostre proteine sono solo 20, ma negli esperimenti di Miller sono stati trovati ca 60 amminoacidi diversi. Come è avvenuta tale la scelta e perché solo 20 amminoacidi?

 La spiegazione prevalente è quella più ovvia: vi furono false partenze che si estinsero perché non poterono competere con le linee che invece sopravvissero.

3)  Le reazioni tra amminoacidi per la sintesi delle proteine avvengono tutte con eliminazione di H₂O. In ambiente acquoso, cioè nel Brodo Primordiale, questa reazione non solo è chimicamente impossibile ma le proteine in acqua tendono a disgregarsi in amminoacidi e tale disgregazione è accelerata dal calore.

Secondo S. Fox le proteine si sarebbero formate in prossimità dei coni vulcanici a temperatura di 200°C e solo successivamente sarebbero state dilavate dalla pioggia e raccolte nel brodo dove si sarebbero formate microsfere resistenti all’azione demolitrice dell’acqua. In alternativa si è immaginato che il brodo primordiale fosse in realtà una pozza d’acqua in prossimità dell’oceano e soggetta a continua evaporazione. Si è anche pensato di risolvere il problema immaginando reazioni secondarie tra amminoacidi con composti ricchi di energia ma questi passaggi moltiplicano enormemente il numero delle reazioni. Per ottenere un polimero di 40 amminoacidi sarebbero state necessarie centinaia di reazioni, e questo appare poco credibile.

In definitiva la questione è ancora aperta.

4)  L’atmosfera primitiva sicuramente non conteneva O₂ (Ossigeno) e quindi lo scudo di O₃ (Ozono) era assente. I raggi ultravioletti, in quantità maggiori di quelli attuali, raggiungevano la superfice della terra. In un primitivo oceano, essi raggiungeva la profondità di 10 metri. Diffusione, agitazione termica e correnti, avrebbero prima o poi portato tutte le sostanze organiche in questa fascia e sarebbero state distrutte.

Per risolvere questo problema si immagina che i primi organismi si siano originati ancorati al fondo di lagune poco profonde non molto superiore dei 10 metri. Per alcuni ricercatori il problema non esiste, in quanto la vita avrebbe avuto origine nei fondali oceanici in prossimità delle bocche idrotermali.

bocche idrotermali.jpg univeronline.it

Ora, è evidente a chiunque che tutte le ipotesi fatte per colmare queste lacune, sono in realtà delle modificazioni ad hoc, spesso anche in contraddizione tra di loro e senza alcuna possibilità di verifica sperimentale.

In “Le radici della biologia” 1986 Mario Ageno scrive: «Possiamo quindi dire che all’inizio degli anni ’80 la ricerca sull’origine della vita è entrata in crisi».

Ma nel 1983 una grande scoperta rivitalizza la teoria del brodo prebiotico. Cech e Altmann scoprono i “Ribozimi”.

Gli acidi nucleici (DNA e RNA) e le proteine (enzimi) sono macromolecole fondamentali per gli organismi viventi e senza dubbio in un primitivo organismo essi non potevano mancare. Ora, mentre gli acidi nucleici contengono l’informazione genetica per il montaggio delle proteine, queste ultime sono necessarie per il montaggio degli acidi nucleici. Acidi nucleici e proteine sono cioè interdipendenti, gli uni hanno bisogno degli altri. È ciò che in Biofisica viene denominato “il problema dell’uovo e della gallina”, chi è comparso per prima?

Thomas R. Cech e Albert Altmann scoprirono che alcuni tipi di RNA (Acido Ribonucleico) sono capaci di comportarsi sia come acidi nucleici che come enzimi (cioè sono uovo e gallina insieme) e li hanno chiamati “Ribozimi”. Su suggerimento di Walter Gilbert, nacque in quel periodo il “mondo a RNA”, cioè si è pensato che la vita avesse avuto origine, nel brodo primordiale, attraverso la sintesi spontanea di una molecola di RNA auto replicantesi e che questa, evolvendosi, abbia imparato a sintetizzare le proteine.

Anche il “mondo a RNA” sollevò un grande entusiasmo, ma i grossi problemi sopra elencati sono stati passati ancora sotto silenzio.

 

 

L’RNA è una lunga catena di nucleotidi costituiti dal gruppo fosfato, uno zucchero il D-Ribosio e una delle quattro basi azotate: Uracile, Adenina, Citosina, Guanina. Ribosio e basi azotate non sono stati mai trovate in esperimenti “alla Miller”. Alcuni esperimenti, che possiamo definire “non alla Miller” condotti tra gli anni sessanta e settanta del secolo scorso hanno messo in evidenza la possibilità della formazione di Ribosio insieme ad altri zuccheri simili e della formazione di diverse basi azotate.

1) Ora, il Ribosio è un pentoso (contiene cioè 5 atomi di Carbonio). Nei pentosi sono asimmetrici tre atomi di carbonio e quindi si hanno tre centri chirali. Ciò comporta che il numero di molecole possibili (stereoisomeri) sia pari a 2³, ossia 8, di cui quattro D (Destro) e quattro L (Levo) e tra questi il D Ribosio. Da un punto di vista energetico in una fase prebiotica, hanno tutti la stessa probabilità di essere sintetizzate, quindi se si è formato il D-Ribosio si devono essere formati anche gli altri.

In che modo il D Ribosio è stato separato dagli altri 7 pentosi?

2) In questi esperimenti sono state ottenute diverse basi azotate.

In che modo le quattro basi utili per l’RNA sono state separate da tutte le altre?

In merito alla formazione di queste sostanze Christian De Duve in “Polvere Vitale” 1995 scrive: «[…] i chimici hanno avuto un certo successo nella produzione dei cinque componenti dell’RNA, ma con scarso rendimento ed in condizioni ad un tempo molto diverso da uno scenario prebiotico e diverso per ogni sostanza. Volendo combinare i componenti nel modo giusto ci si imbatte in altri problemi, di tale grandezza, che nessuno ha mai tentato di farlo in un contesto prebiotico».

3) Per avere un RNA funzionale, i legami tra questi composti per dare origine ad un nucleotide non sono casuali ma devono avvenire in punti specifici delle molecole. Non approfondiamo questo aspetto (già trattato in H1, “Il mondo a RNA nel 2020”) perché a monte di tutto ciò sta il fatto che la formazione del nucleotide deve avvenire con eliminazione di molecole di acqua e che tale reazione in un brodo primordiale è chimicamente impossibile.

 

 

Come si sarebbero formati i nucleotidi nel brodo primordiale?

4) In assenza di O₂ Ribosio e Basi azotate sarebbero state distrutte dai raggi ultravioletti.

Che cosa li ha potetti?

Non c’è un solo scienziato che abbia cercato di dare una risposta a questi problemi

In conclusione dopo circa un decennio e malgrado i contributi di tanti eminenti ricercatori il “mondo a RNA” si rivelò, per la teoria del brodo primordiale, un altro fallimento.

E Christian De Duve in “Polvere vitale” sintetizza: «È onesto dire che non è stato ancora trovato alcun meccanismo in grado di spiegare in modo soddisfacente la sintesi prebiotica dell’RNA, nonostante sforzi considerevoli compiuti da alcuni fra i migliori chimici del mondo. Persino i più fedeli difensori del mondo a RNA hanno espresso opinioni pessimistiche sulle future prospettive di questa linea di ricerca».

E dopo un decennio in “Alle origini della vita” 2008 Christian De Duve aggiunge: «Nonostante tutti quegli sforzi, i tentativi di riprodurre la sintesi dell’RNA in condizioni prebiotiche hanno conseguito solo successi limitati. I ricercatori hanno assemblato brevi catene simili all’RNA per mezzo di catalizzatori minerali, per lo più argille, con nucleotidi attivati artificialmente come precursori e con alcuni stampi scelti. I precursori naturali si sono però rivelati meno efficaci, e la loro sintesi in condizioni plausibili ha finora frustrato l’ingegnosità dei ricercatori».

Come conseguenza di queste difficoltà si cercano soluzioni ad hoc. Alcuni scienziati l’hanno già confezionata: prima del “Mondo a RNA” forse esisteva un “Mondo preRNA”, che successivamente ha dato origine al “Mondo a RNA”. Così, invece di semplificare, il problema viene complicato, con buona pace di Occam.

Negli anni, e fino ai nostri giorni, il brodo primordiale è passato, da pozza ad oceano, poi a palude per ritornare, con l’aiuto dei vulcani, ad oceano, successivamente è passato nuovamente a pozza calda in via di evaporazione per ritornare ancora oceano ma nei fondali oceanici in prossimità delle bocche idrotermali e infine a bacini idrici per il “mondo a RNA”.

Questa continua ricerca di soluzioni ad hoc dimostra solo che all’inizio del nuovo millennio la teoria del brodo primordiale è ancora in profonda crisi.

John Horgan in un suo articolo (Le Scienze, quaderni n.89) scrive: «Nessuna di queste teorie è tanto credibile da potere essere considerata un paradigma ma, d’altra parte, nessuna è stata dimostrata falsa, e ciò infastidisce Miller, un personaggio noto per essere un rigoroso sperimentatore, ma anche una persona piuttosto intransigente».

E Horgan continua: «Questo modo di procedere, protesta Miller, alimenta la convinzione che dell’origine della vita si interessi una frangia marginale del mondo scientifico, in quanto disciplina non degna di una ricerca seria».

Da questa affermazione si deduce che non ci sono istituzioni che pagano ricerche serie e di lungo respiro sull’origine della vita e ciò che viene pubblicato è solo frutto di una ricerca marginale o per meglio intenderci “a tempo perso”.

Ed è come dire che una teoria viene elaborata quando un ricercatore, a margine del proprio campo di ricerca, scopre un indizio che potrebbe collegarsi al problema dell’origine della vita. E così gli astrofisici pensano che la vita proviene dallo spazio e trovano gli alieni anche sulla Terra. I genetisti danno per certo un “mondo a RNA”, dimenticando che si tratta solo di un mondo ipotetico. Coloro che si occupano di metabolismo privilegiano l’origine delle proteine senza nemmeno ipotizzare la loro origine fisica. Naturalmente chi ha scoperto le bocche idrotermali sostiene che la vita ha avuto origine nei fondali oceanici. E tutti coloro che sono sconcertati dal risultato delle ricerche e gli evoluzionisti, preferiscono speculare rispolverando la parola “magica”: il caso.

E in merito alle teorie sull’origine della vita, è ancora valido oggi quanto scrive Christian De Duve in “Polvere vitale”: «Quel che invece abbiamo è una varietà di teorie, influenzate dalla specializzazione scientifica, dagli atteggiamenti filosofici e dalle propensioni ideologiche dei loro autori».

Negli ultimi anni la ricerca di laboratorio si è notevolmente ridotta, privilegiando una ricerca attraverso modelli computerizzati con risultati ovviamente contraddittori.

In conclusione, la ricerca sperimentale ha evidenziato che nel brodo prebiotico la vita non può aver avuto origine e quindi il brodo prebiotico non è mai esistito. La metafora del brodo primordiale è però talmente potente che si è cristallizzata nella mente degli scienziati e, pigramente, rimane la teoria più accreditata.

 

                                                                                     Giovanni Occhipinti

 

Prossimo articolo fine Giugno.

Il Brodo Prebiotico (seconda parte): Rassegna di esperimenti e modelli degli ultimi 12 anni.

THE PRIMORDIAL BROTH in 2022 (The first myth: origin, expectations and failures. Part one)

 

Post n. 3 update (first part)

But when did the 'primordial soup' (or prebiotic soup) theory begin?

Around 1870, in a letter to a friend, Darwin wrote: "If (and this is a big if) we could imagine that in a small hot pool, rich in ammonia, phosphoric salts, light, heat, electricity, etc., a protein compound was chemically formed, ready to go through even more complex changes [...]". But Darwin's official position was firm and clear: in the present state of knowledge it is not possible (ultra vires) to formulate a theory of the origin of life.

In 1924 A. I. Oparin, who at that time held the chair of Plant Biochemistry at Moscow University, translated this idea into a kind of scientific theory and published it in a book "Origine della vita" Ed.Bor. 1977: According to Oparin, on our planet carbon was bound to metals in the form of carbides. These, coming into contact with water vapour, reacted to form hydrocarbons and through subsequent reactions many other organic compounds. 

                                                              Ev-03.jpgAggregatimolec.Brodo priom.1

  

When the temperature at the earth's surface dropped below 100°C, water began to condense and all these compounds, contained in the atmosphere, were swept into a 'primitive boiling ocean' where they began to react to form larger and larger molecules. The subsequent aggregation of these macromolecules would give rise to gel particles, 'coacervates'. The organic coacervates would have absorbed and assimilated substances from the environment and then, as they divided, would have given rise to 'primitive organisms', some of which were capable of metabolising. The evolutionary process and natural selection would eventually give rise to all living organisms.

According to Mario Ageno (Biosifica 3, 1984), a pupil of Enrico Fermi and a co-worker of Edoardo Amaldi, an attentive and profound scholar of biophysics: "The fundamental idea is certainly very brilliant and has lost none of its interest even today. However, this must not make us forget that such a "theory" passes over in silence all the great problems, all the great challenges that the idea of an origin of life from inorganic matter by natural causes poses to our minds".

But even Haldane, while adding a brilliant idea, goes no further.

In 1929 J. B. S. Haldane, without knowing Oparin's ideas, published a short article on the origin of life. According to Haldane, the primitive atmosphere did not contain oxygen, but probably H2 (hydrogen), H2O (water), CO2 (carbon dioxide), and presumably also CH4 (methane) NH3 (ammonia). More complex molecules would have been formed in the atmosphere by solar radiation. These organic compounds, carried away by the rain, would have accumulated in the primitive ocean where they would have reacted to form complex molecules, giving rise to a 'dilute warm soup' where the first organisms would have originated.

The dilute warm soup was immediately translated into 'Primordial Broth'; the metaphor was born and the theory began.

 

miller2.gif Schema dell'esp.di Miller 1

  

Around 1950, an operational research programme began with H. Urey and S. Miller. In particular, using a gas mixture of H2 (hydrogen), H2O (water), CH4 (methane) NH3 (ammonia) similar to the atmospheres of Jupiter, Saturn and Uranus, with the addition of energy (electrical discharges), Miller succeeded in producing amino acids, which are components of proteins, and many other organic substances.

Haldane's theory of a primitive atmosphere devoid of O2 and the formation in the atmosphere of substances fundamental to the origin of life and their collection in a 'primordial soup' where life would have originated, thus seemed to be confirmed.

It was at this time that prebiological chemistry was born, with the aim of identifying, in addition to the amino acids already discovered, the formation of molecules fundamental to the origin of life and their synthesis in an environment similar to that of the earth at the time of the appearance of life. In the years that followed, a number of tests were carried out that confirmed the results of Miller's experiment. In addition, a number of researchers carried out 'Miller-like' experiments, varying both the composition of the gas mixture and the energy sources. All of this work confirmed that in prebiotic times, a large number of organic substances could be synthesised on our planet, often including amino acids.

At the same time, the same substances, particularly amino acids, were found in meteorites (carbonaceous chondrite) dating back to the time of the formation of our solar system. The discovery of amino acids in Miller's experiments and their presence in meteorites demonstrated, according to scientists, the ease with which these compounds could be synthesised. The discoveries aroused great enthusiasm among scientists and it seemed that the mystery of life would soon be unravelled.  But the major problems, passed over in silence by Oparin and Haldane in their theory of the prebiotic broth, proved insurmountable not only, as we shall see, from a chemical-physical point of view, but also from the point of view of contemporaneity and localisation. In fact, it is unthinkable that the processes we are going to list could have taken place at different times, because the substances fundamental to the origin of life would have decomposed in the meantime. Nor is it conceivable that they could have taken place in different places because in that case the fundamental substances would never have met.

But what are the big problems that the prebiotic broth theory passes over in silence?

For each of these problems, a few comments from authoritative scientists and, if any, the solutions proposed by the supporters of the primordial broth theory.

1) The molecules of amino acids, the components of proteins, exist in two forms, Destro and Levo, and one is the mirror image of the other. If you prepare amino acids in the laboratory, for example Alanine, what you get is 50% Alanine Destro and 50% Alanine Levo. These two molecular forms have the same chemical/physical properties and always travel together; their natural separation in a prebiotic broth or in the laboratory is not possible unless an asymmetric substance is present; but this would shift the problem to the origin of the new asymmetric substance. The amino acids discovered by Miller in his now famous experiment were also half right-handed and half left-handed, as were the amino acids found in meteorites. So in the prebiotic world the amino acids must have been half L and half D.

                                        Ala L                          Ala D

                   

The issue is that, the proteins of all living organisms are made up of Levo amino acids.

                                                                      Ala L

How did their separation come about and what happened to the Destro?

According to Dickerson (The Sciences; Gl albori della vita, 1984):"[...] it may be that, at some time, there was primitive life, or precursors to it, based on both D and L amino acids with a 50% probability and that, in the end, the L amino acids prevailed over the others".

Most scientists consider this last solution implausible. It is difficult enough to imagine the origin of a primitive life, to imagine two, one Destro and the other Levo, is really hard.

R. A. Hegstrom and D. K. Kondepudi, addressed the problem of asymmetry in an article in Le Scienze "La chiralità dell’universo" 1990. As the authors illustrate, chemical compounds originate through electromagnetic interactions of the atoms of which they are composed. During these processes parity is said to be conserved, i.e. if a compound is formed its mirror image has the same probability of forming.

The particles making up the atom, protons, neutrons and electrons, are held together by various forces. Two of these forces, the weak nuclear force and the electroweak force, do not maintain parity.

In the earth's crust of our planet there are elements whose atoms decay and emit radiation (radioactive decay). During radioactive decay, high-velocity electrons, β-rays (beta), are also emitted.  Without going into too much detail, the weak nuclear force is responsible for this decay, and since it does not maintain parity, more left-handed electrons are emitted than right-handed ones. When β-rays strike chiral molecules they decompose them, but being mostly left-handed they preferentially destroy a shape leaving an excess of its mirror image. It was therefore thought that the weak nuclear force was responsible for the asymmetry of life. It was found that the relative difference in decomposition rates is of the order of one part in 10⁹, or one part in 1 000 000 000 (one billion).

The second force, the electroweak force, contributes to the formation of compounds.

Since even this force does not preserve parity, it has been calculated that during their formation, in prebiotic times, Levo amino acids must have been more abundant than dextro amino acids on the order of one in 10¹⁷, we are spared writing a 1 followed by 17 zeros.

Although these contributions are very small to determine molecular asymmetry, Kondepudi and a collaborator, Nelson, attempted to demonstrate theoretically that amplification processes can exist under particular conditions. He imagines a tank in which Dextrous and Left are competing and writes: 'And the tank should be large enough and sufficiently well mixed (the stirring should be about 10 square kilometres in area and several metres deep) to eliminate to a great extent the resulting effect of random fluctuations. If all these conditions were met, the weak nuclear force should be able to strongly influence the symmetry-breaking process over a period of 50000 to 100000 years". Kondepudi and Hegstrom conclude: "We have set out numerous models to demonstrate how chiral asymmetry may have developed in biomolecules. [...]. However, none of them has been able to indicate a particular group of prebiotic compounds with all the properties required by these models.

Robert M. Hazen took up the problem of molecular asymmetry in 2001 in an article in Le Scienze: 'Vita dale rocce'. As the title indicates, Hazen turns his attention to the mineral world and prefigures a unique model. That is, he imagines that concentration, selection and synthesis may have taken place within small air pockets of volcanic pumice or feldspathic rocks. For these events, the author does not consider deterministic events and instead states: 'Chance may have produced a combination of molecules that would eventually have deserved to be called "living"'.

Hazen then tackles the problem of molecular asymmetry by turning his attention to calcite crystals, limestones and marbles, because these crystals form pairs of mirror faces. As he explains, the calcite crystals were immersed in a solution containing a 50% Destro and Levo amino acid. After 24 hours, the crystal was extracted and washed and the solution analysed. The Levo faces of the calcite mainly selected amino acid L with an excess of 40% and vice versa. Hazen did not question the physical causes of this phenomenon and stated: "Strangely enough, the more terraced faces were the most selective. This fact led us to predict that the edges of the terraces might force the amino acids to line up in neat rows on their respective faces". Since left and right-handed crystal faces are equal in degree, he concludes: 'It was by pure chance that the molecule destined for success developed in a crystal face that preferred Left-handed amino acids to their Right-handed counterparts'.

Ultimately a unique but random pattern, i.e. a miracle.

2) There are only 20 amino acids in our proteins but, in Miller's experiments, about 60 different amino acids were found. How did this choice come about and why only 20 amino acids?

 The prevailing explanation is the obvious one: there were false starts that became extinct because they could not compete with the lines that survived.

3) Reactions between amino acids for protein synthesis all take place with the elimination of H2O. In an aqueous environment, i.e. in the primordial soup, this reaction is not only chemically impossible but proteins in water tend to break down into amino acids and this break down is accelerated by heat.

According to S. Fox, proteins would have formed near the volcanic cones at a temperature of 200°C and only later would they have been washed away by rain and collected in the broth, where they would have formed microspheres that were resistant to the destructive action of water. Alternatively, it was imagined that the primordial soup was actually a pool of water close to the ocean and subject to continuous evaporation. The problem has also been solved by imagining secondary reactions between amino acids with energy-rich compounds, but these steps greatly multiply the number of reactions. Hundreds of reactions would have been needed to obtain a polymer of 40 amino acids, and this seems scarcely credible.

Ultimately, the question is still open.

4) The primitive atmosphere certainly did not contain O2 (oxygen) and therefore the O3 (ozone) shield was absent. Ultraviolet rays, in greater quantities than today, reached the surface of the earth. In a primitive ocean, they reached a depth of 10 metres. Diffusion, thermal agitation and currents would sooner or later bring all organic substances into this band and they would be destroyed.

                                                      bocche idrotermali.jpg univeronline.it 

  

To solve this problem, it is imagined that the first organisms originated anchored to the bottom of shallow lagoons not much deeper than 10 metres. For some researchers, the problem does not exist, as life would have originated on the ocean floor near the mouths of the hydrothermal vents.

Now, it is obvious to anyone that all the hypotheses made to fill these gaps are in fact ad hoc modifications, often in contradiction with each other and without any possibility of experimental verification.

In "The roots of biology" 1986 Mario Ageno writes: "We can therefore say that at the beginning of the 1980s research into the origin of life entered a crisis".

But in 1983 a major discovery revitalised the prebiotic soup theory. Cech and Altmann discover 'Ribozymes'.

Nucleic acids (DNA and RNA) and proteins (enzymes) are fundamental macromolecules for living organisms, and there is no doubt that in a primitive organism they could not be lacking. However, while nucleic acids contain the genetic information for the assembly of proteins, the latter are necessary for the assembly of nucleic acids. Nucleic acids and proteins are interdependent, i.e. one needs the other. This is what is known in Biophysics as the 'chicken and egg problem', who appeared first?

Thomas R. Cech and Albert Altmann discovered that certain types of RNA (Ribonucleic Acid) are capable of behaving both as nucleic acids and as enzymes (i.e. they are chicken and egg together) and called them "Ribozymes". At the suggestion of Walter Gilbert, the 'RNA world' was born at that time, i.e. it was thought that life had originated, in the primordial soup, through the spontaneous synthesis of a self-replicating RNA molecule and that this, as it evolved, learned to synthesise proteins.

The 'RNA world' also aroused great enthusiasm, but the major problems listed above were still passed over in silence.

 

 

RNA is a long chain of nucleotides consisting of the phosphate group, a sugar D-Ribose and one of four nitrogenous bases: Uracyl, Adenine, Cytosine, and Guanine. Ribose and nitrogenous bases have never been found in 'Miller's' experiments. Some experiments, which we can call 'non-Miller's' experiments carried out in the 1960s and 1970s have highlighted the possibility of the formation of Ribose together with other similar sugars and the formation of different nitrogenous bases.

1) Now, Ribose is a pentose (i.e. it contains 5 Carbon atoms) In pentoses, three carbon atoms are asymmetrical, and so there are three chiral centres. This means that the number of possible molecules (stereoisomers) is 2³, i.e. 8, of which four are D (Destro) and four are L (Levo), including D Ribose. From an energy point of view in a prebiotic phase, they all have the same probability of being synthesised, so if D-Ribose has been formed, the others must also have been formed.

How was D Ribose separated from the other 7 pentoses?

2) In these experiments, several nitrogenous bases were obtained.

How were the four bases useful for RNA separated from all the others?

On the formation of these substances Christian De Duve in "Polvere vitale" 1995 writes: "[...] chemists have had some success in producing the five components of RNA, but with little success and under conditions at a time very different from a prebiotic scenario and different for each substance. If you want to combine the components in the right way, you run into other problems, of such magnitude, that no one has ever tried to do it in a prebiotic context.

3) In order to have a functional RNA, the bonds between these compounds to give origin to a nucleotide are not random but must occur at specific points of the molecules. We are not going to go into this aspect (already discussed in H1, "The RNA world in 2020") because upstream of all this is the fact that the formation of the nucleotide must take place with the elimination of water molecules and that this reaction in a primordial broth is chemically impossible.

 

How would nucleotides have formed in the primordial soup?

4) In the absence of O2, ribose and nitrogenous bases would have been destroyed by ultraviolet rays.

What could have done that?

There is not a single scientist who has tried to give an answer to these problems.

In conclusion, after about a decade and despite the contributions of many eminent researchers, the 'RNA world' proved to be another failure for the primordial soup theory.

And Christian De Duve in 'Polvere vitale' summarises: "It is honest to say that no mechanism has yet been found to satisfactorily explain prebiotic RNA synthesis, despite considerable efforts by some of the world's best chemists. Even the staunchest defenders of the RNA world have expressed pessimistic views on the future prospects of this line of research'.

And after a decade in 'Alle origini della vita' 2008 Christian De Duve adds: 'Despite all those efforts, attempts to reproduce RNA synthesis under prebiotic conditions have achieved only limited success. Researchers have assembled short RNA-like chains by means of mineral catalysts, mostly clays, with artificially activated nucleotides as precursors and a few selected moulds. However, the natural precursors have proved less effective, and their synthesis under plausible conditions has so far frustrated the researchers' ingenuity.

As a result of these difficulties, ad hoc solutions are being sought. Some scientists have already come up with one: before the "RNA World" perhaps there was a "pre-RNA World", which later gave rise to the "RNA World". Thus, instead of simplifying, the problem is complicated, much to Occam's chagrin.

Over the years, and up to the present day, the primordial soup has passed from a puddle to an ocean, then to a swamp to return, with the help of volcanoes, to an ocean, then back to a hot puddle undergoing evaporation to return again to an ocean but in the ocean floor near hydrothermal vents and finally to reservoirs for the 'RNA world'.

This constant search for ad hoc solutions only shows that at the beginning of the new millennium the primordial soup theory is still in deep crisis.

John Horgan in an article (Le Scienze, Quaderni n.89) writes: "None of these theories is credible enough to be considered as a paradigm, but none of them has been shown to be false, and this annoys Miller, who is known to be a rigorous experimentalist, but also a rather intransigent person".

Horgan continues: 'This approach, Miller protests, feeds the belief that the origin of life is of interest to a fringe of the scientific world, as a discipline unworthy of serious research.

From this statement we can deduce that there are no institutions that pay for serious and long-term research on the origin of life, and what is published is only the result of marginal, or to be more precise, 'idle' research.

And it is like saying that a theory is developed when a researcher, on the fringe of his field of research, discovers a clue that could be linked to the problem of the origin of life. And so astrophysicists think that life comes from space and find aliens on Earth. Geneticists take an 'RNA world' for granted, forgetting that it is only a hypothetical world. Metabolists give priority to the origin of proteins without even speculating on their physical origin. Of course, those who have discovered hydrothermal vents claim that life originated on the ocean floor. And all those who are baffled by the results of research and evolutionists prefer to speculate by dusting off the 'magic' word: chance.

And with regard to the theories on the origin of life, what Christian De Duve writes in 'Polvere vitale' is still valid today: 'What we have instead is a variety of theories, influenced by scientific specialisation, philosophical attitudes and the ideological leanings of their authors'.

In recent years, laboratory research has been greatly reduced, favouring research using computer models with obviously contradictory results.

In conclusion, experimental research has shown that life could not have originated in the prebiotic broth and therefore the prebiotic broth never existed. However, the metaphor of the primordial broth is so powerful that it has crystallised in the minds of scientists and, lazily, remains the most accepted theory.

 

                                                                                     Giovanni Occhipinti

 

Next article end of June.

The Prebiotic Broth (Part Two): Review of experiments and models from the last 12 years.