Origine della vita sulla Terra

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Origine della vita sulla Terra
Liceo Classico D. A. Azuni Sassari Prof.
Paolo Abis
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Generazione spontanea

• Aristotele fu il primo a riflettere profondamente
  sul problema dellorigine della vita. Egli
  ammetteva la possibilità della generazione
  spontanea (formazione di organismi viventi dalla
  materia non vivente), nellattuale atmosfera,
  come era in effetti comune osservare (ad esempio
  vermi e insetti che si generavano in alcuni
  siti).

• Questa tesi fu confutata solo a metà del 19-esimo
  secolo dopo diversi tentativi in laboratorio ad
  opera di alcuni sperimentatori.
• (1862) Louis Pasteur, dimostra che i
  microrganismi si generano solo da altri
  microorganismi nelle condizioni ambientali
  attuali.
• Egli fece alcuni esperimenti utilizzando ampolle
  di vetro a collo di cigno, che non permettevano
  ai microorganismi presenti nellaria di
  raggiungere il brodo nutritivo contenuto
  nellampolla.
• Nel brodo bollito non si originavano
  microorganismi.

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Esperimento di Francesco Redi
Firenze, 1668
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Esperimento di L. Spallanzani
Modena, 1760
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Esperimento di Pasteur
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Nelle condizioni attuali la vita non può
originarsi dalla materia inorganica

• La generazione spontanea richiederebbe
• laccumulo in qualche parte di una notevole
  quantità di composti organici e dellapporto di
  una sorgente di energia libera che permetta
  lattuarsi di processi chimici.
• Un tale accumulo oggi è impossibile
• per linsidia dei microrganismi ovunque presenti
  in natura e pronti ad utilizzare tutti i
  materiali organici comunque disponibili
• a causa dellazione ossidante dellatmosfera (che
  presenta un eccesso di ossigeno) che tende ad
  ossidare le molecole organiche complesse non
  completamente ossidate non consentendo loro una
  lunga sopravvivenza.

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Condizioni atmosferiche primordiali

• In passato, invece, è possibile che le
  condizioni ambientali sulla superficie della
  Terra abbiano consentito la formazione di
  semplici composti organici dalla materia
  inorganica.
• Latmosfera gassosa attorno alla Terra, al
  momento della sua formazione e subito dopo,
  doveva contenere in grande prevalenza idrogeno ed
  elio, come la nube gassosa da cui ha tratto
  origine.
• Abbondanza relativa degli elementi nel cosmo

Elemento ogni 10 6 atomi g per tonnellata Elemento Ogni 106 atomi g per tonnellata
H 839000 556000 Mg 42 680
He 159000 421000 Si 35 660
O 680 7210 S 12 250
Ne 640 8550 Ni 5 200
N 200 1860 Al 3 54
C 130 1030 Na 3 46
Fe 64 2370 Ca 2 53
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• Atmosfera primordiale
• (riducente)
• metano
• biossido di carbonio
• ammoniaca
• idrogeno
• azoto
• vapor acqueo

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(No Transcript)
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IL BRODO PRIMORDIALE

• Agli inizi de XX secolo A.I. Oparin, biochimico
  russo, propone un nuovo tipo di generazione
  spontanea, non come atto di creazione ma bensì
  dell'inevitabile, benchè casuale aggregazione di
  molecole inorganiche in una atmosfera primordiale
  assai diversa da quella attuale.
• Latmosfera primordiale era ricca di
  metano,ammoniaca, acqua, composti che reagivano
  facilmente tra loro sotto lazione del calore
  terrestre, dei fulmini, degli ultravioletti della
  radiazione solare non ancora schermata, come
  avviene oggi, dalla fascia di ozono.

• Dalle reazioni si formavano composti del
  carbonio come formaldeide, urea, amminoacidi che
  venivano trasportate dalle piogge nei mari
  andando a costituire il così detto "brodo caldo
  primigenio" .

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Coacervati

• In questa soluzione calda alcune molecole avevano
  una tendenza ad associarsi in complessi più
  grandi. In milioni di anni, questi aggregati, a
  loro volta, si associarono tra loro generando
  spontaneamente dei coacervati, che
  rappresentavano, secondo Oparin ,i costituenti
  fondamentali dei primi organismi viventi.

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Approccio sperimentale

• Nel 1953 Stanley Miller condusse uno storico
  esperimento.
• Questo tendeva a simulare le condizioni
  ambientali nella atmosfera primordiale.

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Sintesi prebiotiche Esperimento di Miller

• Miller riprodusse lambiente primordiale (oceano
  atmosfera) in laboratorio e simulò uno dei
  possibili fenomeni naturali apportatori di
  energia al sistema (le scariche elettriche dei
  temporali).
• Una beuta contenente acqua (che riproduceva
  lidrosfera) comunicava attraverso un tubo di
  vetro con unampolla contenente una miscela
  gassosa (che riproduceva latmosfera), contenente
  CH4, NH3 e H2O allo stato gassoso dovuto
  allevaporazione dellacqua che veniva fatta
  bollire, che veniva fatta attraversare da una
  scarica elettrica che simulava le scariche
  elettriche dei temporali.
• Un refrigeratore dopo lampolla permetteva la
  condensazione di eventuali composti sintetizzati
  nellampolla e la loro raccolta in una trappola.

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Risultati esperimento di Miller
Principali prodotti ottenibili col metodo di
Miller
Composto resa moli104 Composto resa moli104
Acido formico Acido alfa-ammino-n-butirrico
Glicina AA Acido alfa-idrossibutirrico
Acido glicolico Acido succinico
Alanina AA Urea
Acido lattico Acido imminoacetico propionico
Beta-alanina n-metil-urea
Acido acetico n-metil-alanina
Acido propionico Acido glutammico AA
Acido imminodiacetico Acido aspartico AA
Sarcosina Acido alfa-amminoisobutirrico
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Altri esperimenti

• Dopo di lui molti altri ricercatori hanno fatto
  esperimenti come quello di Miller, cambiando la
  composizione, utilizzando diverse sorgenti di
  energia ottenendo risultati qualitativamente
  concordanti con produzione di tutti i principali
  aminoacidi naturali e alcuni precursori del DNA,
  primo tra i quali ladenina.
• si può pertanto ritenere dimostrato che, in
  condizioni di atmosfera riducente , contenente
  solo H2, CH4, NH3, H2O (vapore), a cui viene
  fornita energia libera che permetta delle
  ionizzazioni, si produce a partire da essa, nel
  liquido di raccolta, una grande varietà di specie
  molecolari diverse.

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Ambiente favorevole alla polimerizzazione

• LOceano primitivo
• Circa 4.5 miliardi di anni fa quando la crosta
  terrestre si era ormai raffreddata al punto da
  permettere la condensazione del vapore acqueo, si
  formarono gli oceani.
• Nelloceano primitivo le molecole non gassose
  via via sintetizzate nellatmosfera potevano
  accumularsi, rimescolarsi continuamente, venire a
  contatto e reagire chimicamente ed erano protette
  dalle radiazioni ultraviolette.
• La temperatura superficiale della Terra almeno
  negli ultimi 3 o 4 miliardi di anni non deve
  essere sensibilmente variata poiché i processi
  responsabili della temperatura sono rimasti
  pressocchè costanti
• Radiazione solare
• Calore proveniente dallinterno della Terra
• Radioattività
• Effetto serra

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Polimerizzazione dellRNA

• Levento decisivo per la comparsa della vita va
  ricercato nella formazione di acido ribonucleico
  in grado di catalizzare la propria duplicazione.

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• Il primo materiale genetico e i primi enzimi
  potrebbero essere stati costituiti da RNA
• Unipotesi condivisa è che i primi geni fossero
  brevi filamenti di RNA che si autoduplicavano
  senza lintervento di proteine, forse su
  superfici argillose.

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Il mondo a RNA
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• La comparsa delle prime cellule fu probabilmente
  preceduta da aggregati molecolari avvolti da
  membrane

La più antica forma di cooperazione molecolare in
cui semplici geni a RNA venivano tradotti in
proteine senza lintervento di altre strutture.
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• Semplici membrane potrebbero aver protetto questi
  aggregati molecolari formati da RNA e
  polipeptidi, su cui la selezione naturale avrebbe
  agito favorendo un grado via via maggiore di
  cooperazione molecolare che avrebbe poi dato
  origine alle prime cellule procariotiche.

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Microsfere proteinoidi

• S. W.Fox e K. Harada hanno scoperto
  successivamente che è possibile polimerizzare
  termicamente le molecole di amminoacidi essi
  sono riusciti ad ottenere dei polimeri contenenti
  18 amminoacidi che si trovano comunemente nelle
  proteine.
• Tali polimeri venivano circondate da membrane
  formando strutture dette microsfere proteinoidi.
• Le quali possono svolgere alcune reazioni
  chimiche analoghe a quelle delle cellule.

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Possibili ulteriori siti di origine della vita

• Unaltra recente ipotesi è che la vita si sia
  originata negli abissi marini con una particolare
  e peculiare localizzazione a contatto di
  sorgenti idrotermali formate da afflussi di acqua
  caldissima (con temperature anche superiori ai
  100 C), provenienti dal contatto con gli strati
  sottostanti ancora fluidi. Le alte temperature
  avrebbero favorito la polimerizzazione delle
  molecole organiche e lo svolgersi delle prime
  reazioni metaboliche

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Teoria esobiologica

• la vita è stata seminata da meteoriti
  (panspermia)
• I primi composti organici semplici possono
  essersi formati nello spazio per interazione dei
  raggi cosmici o solari con la polvere
  interstellare (effetto fotoelettrico), che
  potrebbero essere state portati sulla Terra da
  meteoriti, asteroidi e comete, a seguito del loro
  impatto con la Terra.
• È una ipotesi possibile dimostrata dal
  ritrovamento di composti organici nelle
  meteoriti.

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Asteroidi, Meteoriti e Comete
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Tre passi fondamentali

• origine delle prime cellule
• comparsa dellossigeno nellatmosfera
• origine della cellula eucariotica

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ORIGINE DELLE PRIME CELLULE

• Lavvento dei primi esseri viventi segnò la fine
  dellera della selezione chimica e linizio di
  quella della selezione naturale.
• Purtroppo non ci sono molte tracce fossili delle
  prime cellule

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STROMATOLITI
Ammassi (anche fossili) di procarioti
(cianobatteri) anaerobici, foto- o
chemiosintetizanti