ORIGINE DEI COSTITUENTI DI ACIDI NUCLEICI E PROTEINE

 Post n. 18a

 

I costituenti di acidi nucleici e proteine hanno origine extraterrestre?

Tutti gli organismi viventi sono strutture più o meno complesse ma tutti non possono fare a meno di 2 macromolecole fondamentali: gli acidi nucleici o cromosomi costituiti da un gruppo fosfato e due composti organici Ribosio e Basi azotate, depositari dell’informazione genetica, e le proteine, in particolare gli enzimi che controllano le reazioni che avvengono all’interno di tutti gli organismi viventi, i cui costituenti sono gli amminoacidi. I costituenti degli acidi nucleici e delle proteine sono gli stessi, in qualità e quantità, in tutti gli organismi viventi. Ciò ha portato gli scienziati a concludere che tutti gli organismi estinti e viventi sul nostro pianeta discendono da un singolo organismo vivente ancestrale: il progenitore universale. In inglese viene denominato last universal common ancestor, (LUCA), l’ultimo progenitore universale comune. Questo spiegherebbe anche una verità indiscutibile: la vita è unitaria.

   Acidi nucleici e proteine 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.

   I primi organismi, anche se molto semplici, li dovevano contenere entrambi. Dobbiamo andare quindi alla ricerca delle molecole fondamentali, cioè i costituenti, che hanno dato origine a queste macromolecole.

Ma questi costituenti, hanno un’origine extraterrestre?

   Che cosa sia successo veramente 13,6 miliardi di anni fa non lo sappiamo, sappiamo però che è successo e lo abbiamo chiamato Big Bang. Sappiamo anche che, dopo 380 mila di anni dal Big Bang, quando la temperatura dell’universo di allora scese intorno a duemila gradi, gli elettroni(-) e i protoni (+) si legarono dando origine all’idrogeno (H), elio (He), e piccole quantità di Litio (Li). L’attrazione gravitazionale tra gli atomi di questi elementi diede origine alle prime stelle. Fu all’interno delle stelle massicce, ad una temperatura di centinaia di milioni di gradi attraverso la fusione nucleare che, partendo dall’idrogeno, si formarono altri elementi chimici e tra questi il Carbonio (C), l’Azoto (N), e l’Ossigeno (O) cioè quegli elementi che costituiscono il 99% del nostro corpo. Il collasso gravitazionale di queste stelle, a migliaia di milioni di gradi, completò il quadro dando origine a tutti gli altri elementi naturali. E allora, per quanto riguarda gli elementi, non c’è alcun dubbio: siamo “figli” delle stelle.

Ma siamo anche figli dello spazio? Cioè le sostanze fondamentali per l’origine della vita, amminoacidi, zuccheri e basi organiche, provengono dallo spazio?

   L’idea, lanciata per la prima volta da Juan Orò nel 1961 e ripresa negli anni settanta da F. Hoyle e C. Wickramasinghe, in sé ha un suo fascino.

   Sappiamo che il nostro sistema solare ha avuto origine 4,6 Miliardi di anni fa dalla condensazione di una nube di gas e polveri. Il nostro pianeta era all’inizio martoriato dagli impatti di meteoriti e asteroidi.  Gli impatti, nel tempo, si sono diradati ma non sono mai cessati. Alcuni di questi meteoriti, precipitati negli ultimi due secoli, sono stati raccolti e studiati. In totale sono conservati oltre un migliaio di meteoriti ma solo alcuni, denominate condriti carbonacee, presentano un interesse per i nostri scopi. Questi meteoriti datati 4,5 miliardi di anni fa, hanno avuto origine durante la formazione del sistema solare. L’analisi chimica, condotta agli inizi degli anni settanta in questi frammenti extraterrestri, ha evidenziato la presenza di amminoacidi, costituenti delle proteine. Questi amminoacidi si presentano nelle due forme Destro e Levo, come esamineremo ampiamente più avanti, e quindi di sicura provenienza extraterrestre e non biologica. Inoltre sono stati individuati anche idrocarburi (costituiti da H e C) di peso molecolare anche elevato e la presenza di tracce di purine e pirimidine. Queste ultime sostanze hanno struttura molecolare abbastanza vicina a quella delle basi azotate. In nessuno caso è stata però individuata la minima traccia di zuccheri e basi azotate, cioè i costituenti degli acidi nucleici, mentre è ormai accertata la presenza di amminoacidi. Quindi dalle profondità dello spazio ci arrivano testimonianze di processi chimici che hanno dato origine a sostanze fondamentali per l’origine della vita. Rimane però ancora da chiarire se le molecole organiche dei meteoriti facevano già parte della nube di gas e polveri che ha dato origine al sistema solare o se esse si siano formate durante la fase di condensazione della nube stessa attraverso apporti di energia.

   Intorno alla fine degli anni settanta, l’idea di una origine extraterrestre delle sostanze fondamentali per l’origine della vita ricevette un forte impulso. Nelle nubi interstellari di gas (più o meno ionizzati) e polveri, i radioastronomi hanno individuato diversi sostanze organiche semplici e tra questi aldeide formica (HCHO) e acido cianidrico (HCN). Un elenco completo di tutte le sostanze organiche (circa 40) individuate nello spazio fino agli inizi degli anni ottanta è contenuto in un articolo di Leo Blitz: Complessi giganti di nubi molecolari nella Galassia, Le Scienze 1982. Però di molecole un po’ più complesse, importanti per l’origine della vita, nessuna traccia.

   Si pensava di poterle individuare in un prossimo futuro, ma non era ancora chiaro in che modo queste molecole sarebbero arrivati dallo spazio sul nostro pianeta. Come singole molecole sarebbero state distrutte dall’ultravioletto solare, letale non solo per gli organismi viventi ma anche per le molecole fondamentali per l’origine della vita. Se le molecole fossero state contenute all’interno di asteroidi caduti sul nostro pianeta, sarebbero state distrutte dall’enorme calore sprigionato dall’impatto o rimasti imprigionati all’interno dei frammenti.

   Comunque, intorno alla metà degli anni ottanta, la maggior parte degli scienziati impegnati nella ricerca in chimica prebiotica, era dell’opinione che l’origine extraterrestri di sostanze organiche dimostrasse solo la facilità con cui queste molecole possono essere sintetizzate in presenza di carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno.

   Tale opinione fu anche ben sintetizzata da Mario Ageno,  allievo di Enrico Fermi e collaboratore di Edoardo Amaldi, attento e profondo studioso di Biofisica che in “Lezioni di Biofisica 3”, 1984 concludeva: «Anche se una minima frazione di esse riuscisse alla fine a sopravvivere e a raggiungere in qualche modo l’idrosfera del pianeta, difficilmente l’evoluzione chimica potrebbe procedere oltre, fino alla comparsa di organismi viventi, senza un apporto continuo e di ben altro ordine di grandezza di sostanze di nuova sintesi di provenienza locale».

   La scoperta di molecole organiche nello spazio, pose però una riflessione. Se le nubi interstellari contengono molecole organiche prebiotiche, esse dovevano essere presenti anche nella nube che ha dato origine al sistema solare. Si è pensato quindi che, durante la formazione del sistema solare, nei pianeti in prossimità del sole, per l’enorme calore, queste molecole fossero state distrutte. Esse si salvarono però nelle zone più fredde, cioè ai confini del sistema solare, dove vennero inglobate nelle comete. Si è diffusa quindi, tra gli scienziati, la convinzione che le comete fossero un residuo della nebulosa che ha dato origine al sistema solare e che in esse fossero contenute le sostanze organiche necessarie per l’origine della vita.

Inizia la caccia alle comete.

   Intorno alla metà degli anni novanta nella chioma delle comete Hyakutake e Hale-Bopp sono state individuate composti organici e tra questi aldeide formica (HCHO) e acido cianidrico (HCN). Però di molecole un po’ più complesse, importanti per l’origine della vita, ancora nessuna traccia.

   Intanto si è osservato che, quando nello spazio interstellare molecole di acqua, metanolo, ammoniaca e idrocarburi si depositano su polvere silicea, si formano dei grani gelati. Secondo alcuni scienziati, all’interno di questi granuli, si sarebbero potuto accumulare sostanze organiche anche complesse e lo strato di ghiaccio li avrebbe protetti dall’ultravioletto. Altri ricercatori ritengono che, se lo strato di ghiaccio non fosse stato sufficientemente spesso, le sostanze organiche sarebbero state spezzate dai raggi ultravioletti. I residui, non potendosi disperdere nello spazio, avrebbero potuto prima o poi reagire dando origine a molecole più complesse. Entrando nell’atmosfera le sostanze organiche, contenute nelle cavità del granulo, sarebbero state protette dal surriscaldamento. Granuli gelati sono stati riprodotti in laboratorio, denominati “analoghi di granuli gelati”. In questi “analoghi” sono stati individuati sostanze organiche semplici come chetoni, eteri ed alcoli.

   Comunque a rileggere l’articolo di M. Bernstein, A. Sandford e J. Allamandola: “Dallo spazio le molecole della vita”, Le Scienze, 1999, tolta l’enfasi, comprensibile per chi lavora alla NASA, non c’è traccia di molecole importanti per l’origine della vita.

   Nel 2002, dopo vent’anni dalla pubblicazione dell’articolo di Leo Blitz e quindi dopo altri vent’anni di ricerche di radioastronomia, viene pubblicato da P. Ehrenfreund e al.: “Astrophysical and astrochemical insights into the origin of life” Rep. Prog. Phys. 65 2002 1427–1487 un elenco aggiornato, circa 70, di sostanze organiche individuate dalla radioastronomia nello spazio. Tra queste sostanze Ehrenfreund include la Glicina, un amminoacido molto semplice che fa parte delle nostre proteine, ma aggiunge un punto interrogativo. Anche in questo nuovo elenco, non c’è ancora traccia di molecole complesse importanti per l’origine della vita.

   Nello stesso articolo Ehrenfreund pubblica l’elenco delle sostanze individuate nelle comete Hyakutake e Hale-Bopp, ca 35, un numero addirittura inferiore alle 70 sostanze della radioastronomia, e tutte già individuate nello spazio interstellare. Non sembra, quindi, che all’interno delle comete avvengano particolari reazioni di sintesi. Nella tabella Ehrenfreund include ancora la Glicina ma stavolta senza il punto interrogativo; però a commento della tabella scrive: «Glycine, the simplest amino acid, has not yet been detected, […]».

   Nel 2006 sono stati riportati a terra le polveri della cometa Wild 2, prelevati con la missione Stardust. L’analisi ha evidenziato la presenza di ammine e molecole costituite da lunghe catene di atomi di carbonio. Nel 2009, dopo tre anni dalla pubblicazione dei primi dati, la NASA annuncia con grande enfasi che nelle polveri di Wild 2, rifatte le analisi, sono state trovate tracce di Glicina.

Che dire; finalmente, ce l’hanno fatta.

È opportuno per concludere fare qualche precisazione partendo da alcuni parametri. Le stelle massicce, che si formano all’interno delle immense nubi di gas e polveri, hanno una vita media di circa 3 milioni di anni e la maggior parte della loro energia la emettono sotto forma di raggi ultravioletti. Anche il nostro sole emette raggi ultravioletti che distruggerebbero amminoacidi e basi azotate fino ai confini del sistema solare. Quando il sole ebbe origine l’intensità delle radiazione era diecimila volte superiore a quella odierna. Lo spazio è quindi permeato da raggi letali non solo per gli organismi viventi, ma anche per molecole importanti per l’origine della vita.

   Nelle nubi interstellari la materia è estremamente rarefatta. Alla temperatura di -260°C la densità media è di 100 molecole di idrogeno per cm³ e piccole frazioni di azoto, ossigeno e carbonio. Questi elementi, atomizzati o ionizzati dai raggi ultravioletti, attraverso urti casuali hanno dato origine a sostanze molto semplici come aldeide formica, acido cianidrico e ammine. Parte di queste sostanze vengono distrutte dai raggi ultravioletti per poi magari riformarsi più tardi in altri luoghi. Ora, le molecole fondamentali per l’origine della vita come amminoacidi, zuccheri e basi azotate, anche se sono molecole di peso molecolare relativamente basso, non sono così semplici ma hanno una loro complessità. Qual è la probabilità che molecole di questo tipo possano essersi formate nello spazio, da atomi e ioni estremamente rarefatti, per urti casuali e a temperature così basse; e quale la probabilità che possano aver resistito ai raggi ultravioletti. Il buon senso di cartesiana memoria ci suggerisce che tale probabilità è praticamente zero.

   E poi, anche se qualche molecola utile all’origine della vita si dovesse formare quale potrebbe essere la sua utilità. La quantità di molecole necessarie all’origine della vita è di un tale ordine di grandezza che lo spazio ne dovrebbe essere permeato e invece lo spazio è permeato di raggi che distruggono tali molecole. E allora, per quanto riguarda le sostanze fondamentali per l’origine della vita, non siamo “figli” dello spazio.

   Lo spazio con i suoi raggi ultravioletti è la dimora della morte. Ne sapevano qualcosa i primi organismi viventi sulla terra, che erano costretti a ripararsi nel fango o, come vedremo più avanti, in acque oltre la profondità di 10 metri. Soltanto dopo circa due miliardi di anni la concentrazione dell’ossigeno, prodotto dai microorganismi autotrofi e liberato nell’atmosfera ha dato origine allo scudo di Ozono (O₃), ha bloccato i raggi ultravioletti e la vita è riuscita a strappare alla morte qualche chilometro di spazio e occupare la superfice e l’atmosfera del pianeta.

   Però, gli organismi viventi esistono grazie al fatto che lo spazio è la dimora della morte. La vita è stata possibile sulla terra, grazie al fatto che lo spazio è stato sterilizzato dai raggi ultravioletti.

   Le sostanze organiche a noi note sono ormai, sulla terra, oltre un milione e mezzo. Immaginate se nello spazio, attraverso urti casuali e in assenza di raggi ultravioletti, si fossero originate le sostanze fondamentali per l’origine della vita e centinaia di migliaia di altre sostanze organiche la maggior parte dannose per l’origine della vita. Arrivati sulla terra, in un calderone oceanico, da queste sostanze solo un miracolo potrebbe aver dato origine alla vita.

E allora, le molecole organiche che la radioastronomia individua nello spazio altro non sono che ceneri di una perenne cremazione, grazie alla quale la vita ha potuto avere origine sulla terra.

   Quanto sopra esposto porta a concludere che lo spazio non è la sede dell’origine delle sostanze fondamentali per l’origine della vita.

   Gli impatti cometari sul nostro pianeta hanno, probabilmente, ripristinato in epoca prebiotica l’atmosfera primitiva, aggiunto acqua al nostro pianeta e probabilmente anche qualche sostanza organica semplice tipo aldeide formica e acido cianidrico. È anche probabile che durante la fase di contrazione della nube primitiva, da composti presenti nella nube come metano, ammoniaca, idrogeno e acqua, attraverso apporti di energia sono stati prodotti parecchie sostanze organiche e tra questi gli amminoacidi. Alcuni di questi amminoacidi sono stati imprigionati nei meteoriti, altri devono essere stati distrutti dall’ultravioletto solare e dall’elevata temperatura di contrazione della nube.

   È quindi sempre valida la conclusione cui erano giunti gli scienziati negli anni ’80: i processi naturali, in condizioni prebiotiche, sul nostro pianeta, devono essere stati capaci di produrre le sostanze fondamentali per l’origine della vita e che il contributo di sostanze organiche semplici, proveniente dallo spazio, semmai c’è stato, è da considerarsi ininfluente.

 

I costituenti di acidi nucleici e proteine hanno un origine terrestre? La teoria del brodo prebiotico.

 

Le proteine costituiscono tessuti e organi, permettono alle cellule di comunicare, controllano ciò che deve entrare e uscire dalla cellula, fungono da anticorpi.

   Tutti gli organismi viventi hanno anche una complessità di funzioni interdipendenti che permette loro: la nutrizione, la crescita, la riproduzione, l’evoluzione, la reazione agli stimoli, la morte. Tutte queste funzioni vitali hanno in comune il metabolismo; cioè quel processo di reazioni chimiche coadiuvate da proteine (enzimi) che permettono agli organismi viventi di funzionare. All’interno della cellula si trovano migliaia di enzimi che regolano e programmano migliaia di reazioni chimiche, nessuna reazione biologica e nessuna delle funzioni sopra elencate può avvenire senza il loro intervento, nemmeno la sintesi degli acidi nucleici. Le proteine sono macromolecole i cui costituenti sono gli amminoacidi.

Ma gli amminoacidi, in epoca prebiotica, erano presenti sul nostro pianeta? E poi, i costituenti organici degli acidi nucleici, Ribosio e Basi azotate erano anch’essi presenti?

   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”1924. 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.

   Secondo Mario Ageno (opera citata): «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».

   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, idrogeno (H₂), acqua (H₂O), ammoniaca (NH₃), e biossido di carbonio (CO₂). Molecole più complesse si sarebbero formate nell’atmosfera per effetto delle radiazioni solari. Questi composti organici, trascinati dalle piogge si sarebbero accumulati in un 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.

Intanto nelle atmosfere di Giove, Saturno e Urano furono scoperte metano (CH₄) e ammoniaca.

   Intorno al 1950 con H. Urey e S. Miller inizia un programma operativo di ricerche. In particolare, utilizzando una miscela di idrogeno (H₂), acqua (H₂O), ammoniaca (NH₃), e metano (CH₄), S. Miller con apporto di energia (scariche elettriche), riuscì a produrre amminoacidi, che sono componenti delle proteine, e molte altre sostanze organiche. 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. La scoperta sollevò un grande entusiasmo tra gli scienziati e sembrava che, ben presto, si sarebbe riusciti a svelare il mistero della vita.

   Negli anni che seguirono furono compiute diverse verifiche che confermarono i risultati dell’esperimento di Miller. Inoltre diversi ricercatori hanno eseguito esperimenti sia variando la composizione della miscela gassosa sia le fonti di energia. Tutti questi lavori hanno confermato che in epoca prebiotica, sul nostro pianeta, era possibile la sintesi di un grande numero di sostanze organiche e tra queste spesso erano presenti amminoacidi. Attraverso questi esperimenti è stata dimostrata la presenza, in epoca prebiotica, di circa 60 amminoacidi diversi. Inoltre è stata dimostrata anche la presenza di acido cianidrico, (HCN), precursore delle purine, di aldeide formica, (HCHO), precursore del ribosio e di altre importanti sostanze organiche tra cui l’urea. Non bisogna sottovalutare l’importanza di queste piccole molecole in quanto esse potrebbero essere state i precursori di zuccheri, basi azotate, e amminoacidi. Infatti il Ribosio, molecola fondamentale per RNA, è un pentamero dell’aldeide formica (HCHO) nel senso che cinque molecole di aldeide formica potrebbero dare origine a una molecola di ribosio. E l’adenina, base azotata fondamentale per gli acidi nucleici, è un pentamero dell’acido cianidrico (HCN). In questi esperimenti però Ribosio e Basi azotate, costituenti degli acidi nucleici, non sono stati mai individuati. Essi comunque dovevano essere presenti e come vedremo si sono probabilmente formate per altre vie. Tutto ciò porta a concludere che sul nostro pianeta i processi naturali possono aver prodotto le sostanze fondamentali necessarie all’origine della vita.

   È rimarchevole il fatto che le stesse sostanze, in particolare gli amminoacidi, come abbiamo già illustrato, siano stati trovati anche nei meteoriti risalenti all’epoca della formazione del nostro sistema solare. La scoperta degli amminoacidi negli esperimenti di Miller e la loro presenza nei meteoriti dimostra, secondo gli scienziati, la facilità di sintesi di questi composti. Manfred Eigen in riferimento agli esperimenti alla Miller (opera citata), afferma: «Ciò che rende significativi questi esperimenti è non tanto il fatto che si formino in generale amminoacidi, ma che le loro frequenze relative corrispondano a quelle che si riscontrano in natura, e in particolare nei composti organici scoperti nei meteoriti.»

   Agli inizi degli anni ’90, alcuni ricercatori hanno messo in dubbio la presenza di un’atmosfera primordiale costituita da CH₄, NH₃, H₂O e H₂. Questi ricercatori hanno ipotizzato un’atmosfera primordiale costituita da CO₂, N₂, e H₂O, e in tali condizioni la formazione degli amminoacidi con apporti di energia non si verifica. Miller ha definito questi lavori ipotesi senza dati a sostegno. Nessuna ricerca seria ha mai messo in dubbio la presenza di amminoacidi in epoca prebiotica.

   Possiamo concludere che numerosi e forti indizi dimostrano la presenza degli amminoacidi in epoca prebiotica sul nostro pianeta. Dalla sintesi di queste molecole hanno origine le proteine.

Siamo figli della terra.

   Malgrado queste importanti scoperte negli anni a seguire non si sono fatti altri passi avanti. Il motivo è stato che gli esperimenti alla Miller sembravano confermare la teoria di Haldane nella sua totalità cioè, 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. La quasi totalità degli scienziati ha accettato l’ipotesi dell’origine della vita in un oceano primitivo. Ma ormai da oltre mezzo secolo è stato dimostrato che l’origine della vita in un oceano primordiale, pone, fondamentalmente quattro problemi insormontabili. La metafora del “Brodo primordiale” è però talmente potente che, ancor oggi, la scienza non riesce a liberarsene.

Ma quali sono, infine, questi quattro problemi insormontabili, e quali sono le soluzioni proposte e i commenti di autorevoli scienziati?

   1) Le nostre mani sono una l’immagine speculare dell’altra, destra e sinistra, e non sono sovrapponibili. Forme che sono immagini speculari e non sovrapponibili vengono dette chirali. 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. Anche gli amminoacidi scoperti da Miller nel suo ormai famoso esperimento erano metà Destro e metà Levo, e così anche gli amminoacidi trovati nei meteoriti. Quindi nel mondo prebiotico gli amminoacidi dovevano essere metà D e metà L. Queste due forme viaggiano sempre assieme ed è impossibile la loro separazione spontanea in ambiente acquoso.

 

 L                                D

   Poiché sia la forma D che la forma L, in epoca prebiotica, erano sicuramente disciolte in acqua, il disordine molecolare avrebbe prodotto reazioni incrociate tra amminoacidi D e L e dato origine a proteine contenenti le due forme, ma di nessun interesse biologico.

   La questione è che le proteine di tutti gli organismi viventi sono costituite soltanto di amminoacidi Levo, la vita è asimmetrica.

 

                                                                                          L 

                                            

   Poiché gli attuali organismi viventi discendono per evoluzione di organismi primitivi, anche le proteine degli organismi primitivi dovevano essere costituite da amminoacidi L. Ma allora, se le due forme molecolari presentano le stesse proprietà chimico-fisiche ed erano inseparabili, come è avvenuta la loro separazione e che fine ha fatto il Destro?

   Secondo Dickerson (articolo citato): «[…] 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».

   È già difficile immaginare l’origine di una vita primitiva, immaginarne due, una Destro e l’altra Levo, è veramente arduo.

   2) Le reazioni tra amminoacidi per la sintesi delle proteine avvengono tutte con eliminazione di H₂O.

 

 

  

In condizioni prebiotiche, in ambiente acquoso, questa reazione non può avvenire spontaneamente perché va contro il secondo principio della termodinamica. Sarebbe come vedere un sasso che spontaneamente risale una collina.

   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 una sola molecola di un polimero di 40 amminoacidi sarebbero state necessarie centinaia di reazioni consecutive, e questo appare poco credibile.

In definitiva, per gli scienziati la questione è ancora aperta.

   3) In epoca prebiotica erano sicuramente disponibili un gran numero di amminoacidi diversi. Nell’esperimento di Miller, per esempio, sono stati trovati circa 60 amminoacidi diversi e altrettanti nei meteoriti. Ma negli attuali organismi viventi solo 20 amminoacidi concorrono alla formazione delle proteine.

Come è avvenuta la scelta dei 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.

   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 raggiungevano 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 inferiori ai 10 metri. Per alcuni ricercatori il problema non esiste, in quanto la vita avrebbe avuto origine nei fondali oceanici in prossimità delle bocche idrotermali.

   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. A conferma del fallimento della teoria del brodo primordiale Mario Ageno in “Le radici della biologia”1986, scrive: «Possiamo quindi dire che all’inizio degli anni ’80 la ricerca sull’origine della vita è entrata in crisi».

   Come già detto, gli acidi nucleici 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?

   Quando alla fine degli anni `60 divenne evidente il fallimento della sintesi delle proteine nel brodo prebiotico, i ricercatori iniziarono a guardare con interesse agli acidi nucleici. Fu in quegli anni che inizia a nascere l’idea del “Mondo a RNA”. L’idea originale era che, nel brodo primordiale, fossero comparse per prima molecole di RNA con le due funzioni in una: contenere l’informazione genetica e svolgere funzione di enzimi catalizzando inizialmente la loro stessa sintesi e successivamente la sintesi delle proteine; cioè essere uovo e gallina contemporaneamente. Esperimenti condotti da Sol Spiegelman dell’università dell’Illinois e da Manfred Sumper del Max Planck Institut (“L’origine dell’informazione genetica”, Manfred Eigen e al.  1981) diedero un grande impulso a questa idea. Ben presto fu però chiaro che la sintesi spontanea di molecole di RNA in un mondo primordiale è praticamente impossibile.

Nel 1983 una grande scoperta ridiede un temporaneo vigore al “(Mondo a RNA) e alla teoria del brodo prebiotico. 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”.

   Anche il “mondo a RNA” sollevò un grande entusiasmo, ma dopo circa un decennio e malgrado i contributi di tanti eminenti ricercatori il “mondo a RNA” si rivelò, per la teoria del brodo prebiotico, un altro fallimento. Verso la metà degli anni ’90 Christian De Duve in “Polvere vitale”,1998 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) 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».

   La teoria del brodo prebiotico, malgrado il contributo di tanti ricercatori, presenta quindi un bilancio fallimentare e così dopo oltre sessant’anni siamo ancora agli esperimenti di Miller.

   All’inizio del nuovo millennio, dopo aver analizzato se sono comparse prima le proteine o gli acidi nucleici, Paul Davis (opera citata) scrive: «Tutte le teorie hanno in comune una medesima idea: una volta che la vita è nata, in qualunque forma, il resto è venuto quasi da sé, perché l’evoluzione darwiniana ha potuto prendere il via. Quindi è naturale che gli scienziati cerchino di ricorrere al darwinismo a partire dalla primissima fase della storia della vita: con il suo ingresso in campo, sono possibili enormi miglioramenti sospinti solo dalla forza trainante del caso e della selezione. Purtroppo, però, perché l’evoluzione darwiniana possa aver inizio è necessario un livello minimo di complessità. Come si è arrivati a questa complessità iniziale? Messi alle strette, la maggior parte degli scienziati si torce le mani e mormora la parola magica: il caso».

   A introdurre il concetto di casualità nell’origine della vita, sembra sia stato, nel 1914, Leonard Thompson Troland, fisico e psicofisiologo americano, come riporta Iris Fly nel suo saggio (opera citata). Dai tempi di Troland e fino ai nostri giorni il caso risorge come un’Araba Fenice ogni volta che una teoria sull’origine della vita mostra i suoi limiti.

 

 

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

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