69° CONVEGNO "SCIENZA E FEDE" Fognano, 25-27 maggio 2012

PIANETI EXTRATERRESTRI E ESOBIOLOGIA

L'origine della vita: singolarità o dinamica inesorabile?

Paolo TortoraDip.to di Biotecnologie e Bioscienze

Università di Milano-Bicocca

I TERMINI DEL PROBLEMA

I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)

La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)

Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)

Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?

I TERMINI DEL PROBLEMA

I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)

La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)

Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)

Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?

La scala dei tempi

(stabilita in base a diverse metodologie; soprattutto in base alla radiodatazione delle rocce)

Eobacterium isolatum (impronta

fossile)

• L’età delle rocce più antiche: 4.5-4.6 milardi di anni

• Le prime testimonianze fossili: 3.5-3.8 miliardi di anni

Stromatoliti

Depositi fossili macroscopici di microrganismi, che risalgono ad almeno 2 miliardi di anni fa

Rinvenuti in vari continenti

• Earth forms 4.6 billion years ago

• Solid surface forms 4 billion years ago

• Life starts (?) 3.8 billion years ago

• Age of Bacteria: Archaean era

• Oxygen atmosphere develops 2 billion years ago

• Eukaryotes develop. Proterozoic era

• Edicarian life: 650 million years ago. First multicellular life, forms unknown today

• Cambrian explosion: most current life forms appear 550 million years ago

• Paleozoic era: 550 – 250 million years ago. Marine invertebrates, fishes, amphibians, invasion of the land. Coal formation.

• Permian mass extinction: 250 million years ago. 95% of all life dies; end of Paleozoic

• Mesozoic: 250-65 million years ago. Age of the dinosaurs (reptiles). Mammals, birds, and flowering plants appear

• Cretaceous mass extinction: asteroid hits the Earth, killing much of life, including the dinosaurs.

• Cenozoic era: 65 million years ago till present. Mammals dominant

Eventi importanti nell’evoluzione biologica

Con la comparsa dell’ossigeno (quasi esclusivamente di origine biologica: deriva dalla fotosintesi) compare il metabolismo ossidativo e compaiono le cellule eucariotiche

Cellule procariotiche e cellule eucariotiche

Procariotiche: nessuna compartimentazione;dimensioni attorno a 1-2 m

Eucariotiche: compartimentate; dimensioni attorno a 10-20 m. Proprie di tutti gli organismi pluricellulari

L’ambiente primitivo Terra primordiale

• più calda di quella attuale• bombardata da asteroidi• con raccolte d’acqua (forse già oceani)• atmosfera: ricca in vapor d’acqua. Poteva contenere in prevalenza ammoniaca, metano, idrogeno (composti idrogenati, allo stato ridotto), somigliante a quella dei pianeti esterni giganti; oppure (ipotesi alternativa): azoto + anidride carbonica

NB: è altamente probabile che la vitasia comparsa in tempi molto brevi, nonappena le condizioni chimico-fisichelo hanno consentito!(tra 4.6 e 3.8 miliardi di anni fa ilperiodo “vivibile” è stato certamente molto più breve di 800 milioni di anni)

I TERMINI DEL PROBLEMA

I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)

La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)

Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)

Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo? Dove cercarla?

Il minimo indispensabile per la costruzione di un organismo elementare (unicellulare)

•Un deposito di informazione che contenga il progetto per la costruzione dell’organismo e che possa essere replicato quasi invariante(di norma il DNA)

• I componenti del macchinario per il funzionamento dell’organismo (un ampio repertorio di proteine)

•Una rete di reazioni per la fabbricazione delle molecole necessarie e per l’ottenimentodi energia necessaria alle differenti funzioni (metabolismo)

•Un sistema di confinamento dell’organismo per delimitarlo dall’ambiente (membrana cellulare:composta da un doppio strato lipidico, in determinatecondizioni capace di autoasemblarsi)

DNA: il progetto

Proteine: i componenti del macchinario

Macromolecole (in biologia sono così dette molecole aventi funzioni primarie, normalmente di grosse dimensioni, costruite mediante

assemblaggio di un repertorio limitato di molecole molto più piccole, i building blocks o blocchi di costruzione)

1 – Le proteine: sono composti di amminoacidi (i blocchi di costruzione) che si uniscono a dare polimeri filiformi ma raggomitolati a dare strutture compatte. Sostengono tutte o quasi le funzioni biologiche.

(Una rassegna di strutture proteiche secondo la rappresentazione convenzionale più frequentemente utilizzata)

Quattro dei venti amminoacidi che compongono le proteine

Gli amminoacidi condensano insieme formando un legame peptidico, formando così lunghi polimeri lineari, per l’appunto le proteine

2 – Acidi nucleici: polimeri filiformi di nucleotidi (i blocchi di costruzione). Il principale ruolo è l’immagazzinamento dell’informazione per la produzione delle proteine

La struttura elicoidale a doppio filamento del DNA (acido deossiribonucleico), il principale depositario dell’informazione genetica. I geni sono tratti di DNA che normalmente codificano proteine.

I quattro nucleotidi “canonici” che compongono il DNA (composti ciascuno di una diversa base azotata, dello zucchero deossiribosio e di un fosfato

I due filamenti di DNA hanno sequenze complementari; vale a dire, le basi si appaiano in modo tale per cui una adenina (A) su un filamento si leghi mediante legami idrogeno con una timina (T) sull’altro filamento; una guanina (G) su un filamento si leghi mediante legami idrogeno con citosina (C) sull’altro filamento (sono le cosidette regole di Chargaff)

Questa struttura ha immediatamente suggerito a Watson e Crick che la proposero una modalità di replicazione del DNA. In effetti ciascuno dei due filamenti mantiene la stessa informazione (come sequenza di basi), sia pur in modo complementare. Di conseguenza, durante la replicazione ciascun filamento funge da stampo per la sintesi di un filamento complementare.

3 - Un altro acido nucleico, l’RNA (acido ribonucleico) è strutturalmente molto simile al DNA, ma può presentare anche tratti a singola elica.

Al posto della timina, possiede una base leggermente diversa l’uracile (U). Si tratta di una timina non metilata.

L’RNA ha un ruolo fondamentale nella traduzione, cioè nel processo di decodificazione dell’informazione contenuta nel DNA, che è alla base della sintesi delle proteine.

Il codice geneticoIl DNA immagazzina (in forma lineare) l’informazione per la sintesi delle proteine (esse stesse polimeri lineari) codificandola mediante una specifica sequenza di tre nucleotidi per ogni amminoacido

Il dogma centrale della biologia molecolare:il flusso dell’informazione è unidirezionale, nella direzione

DNA RNA proteine

Replicazione

Proteine

Le proteine presiedono alla loro propria sintesi, partecipando a trascrizione e traduzione. Presiedono anche alla replicazione del DNA che codifica il progetto dell’organismo, incluse sequenze e strutture di tutte le proteine!

Il dogma centrale della biologia molecolare è solo uno degli esempi (con ogni probabilità il più prominente) che mette in evidenza un problema chiave e ineludibile legato alla comparsa degli organismi nel corso della evoluzione molecolare:

È ben difficile immaginare un processo evolutivo che porti alla comparsa di una classe di molecole biologiche per volta (es. prima DNA e poi proteine, o viceversa). Infatti tutti i componenti molecolari, qualsiasi sia la loro natura chimica, debbono cooperare interagendo tra loro in modo perfettamente coordinato

come analogia di un sistema vivente non si può prendere un edificio o una macchina, perché questi possono essere assemblati pezzo per pezzo, mentre un sistema vivente richiede la presenza contemporanea di tutti (o quasi) i pezzi per sostenere tutte le sue funzioni

Alcune riflessioni di Erwin Chargaff sul fenomeno “vita”

“Probabilmente non è un caso che fra tutte le scienze sia proprio la biologia quella che non riesce a definire l’oggetto che studia: noi non possediamo una definizione scientifica della vita. In effetti sono solo cellule e tessuti morti quelli che vengono sottoposti alle analisi più dettagliate.”

“L’analisi delle parti che compongono un organismo vivente comporta, salvo poche eccezioni, il venire meno dell’elemento essenziale della vita stessa.”

“Nella nostra caccia ai frammenti abbiamo smarrito le sublimi fattezze della vita.”

(Erwin Chargaff. Tratto da: “Mistero impenetrabile”)

1905-2002

Chargaff’s rules

I TERMINI DEL PROBLEMA

I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)

La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)

Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)

Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?

le prime semplici molecole organiche blocchi di costruzione

macromolecole cellule

Chimica prebiotica

Abiogenesi (Molecole e sistemi biologici)

Per cominciare

La chimica prebiotica: L’esperimento di Stanley Miller (1953)

In condizioni chimico-fisiche opportune (temperatura, fonte di energia, etc.) si formano alcuni “blocchi di costruzione” (amminoacidi, ma non solo) a partire da molecole molto semplici come ammoniaca e metano in soluzione acquosa

Stanley Miller (1930-2007)

È stata dimostrata la presenza di composti di questo tipo negli spazi interstellari e in certe particolari meteoriti, dette condriti carbonacee

Anche nell’Universo sembra esistere una chimica prebiotica: i composti chimici elementari manifestano

una intrinseca tendenza ad autoassemblarsi generando i blocchi di costruzione

Gli scenari della abiogenesi - 1

Aleksandr Oparin (1894-1980)

Oparin si può considerare il fondatore delle ricerche sull’origine della vita in senso moderno. Nel 1924 è il primo a proporre una teoria in cui include introduce il concetto di “brodo primordiale”. Assume inoltre che in tale soluzione, ricca di composti organici di diversa natura, l’evoluzione chimica porti alla formazione di molecole organiche sempre più grandi e complesse, talché il brodo acquista le caratteristiche di una soluzione colloidale (vale a dire,

contenente un’alta concentrazione di macromolecole); propone quindi che i soluti macromolecolari si separino dalla soluzione sotto forma di gel, che lui denomina coacervati, entità individuali ben distinte dalla parte rimanente della soluzione. Oparin è il primo a tentare un approccio scientifico del problema dell’origine della vita, assumendo che in presenza di opportuni ingredienti si realizzi spontaneamente un’autoas-semblaggio di molecole, che porta alla formazione di cellule primordiali. Tuttavia egli non solo elude, ma sembra non immaginare neppure il problema chiave, vale a dire l’esistenza di un deposito di informazione che consenta una riproduzione in modo sostanzialmente invariante della cellula.

Sidney Fox(1912-1998)

Gli scenari della abiogenesi - 2Nel 1958, il biochimico statunitense Sidney Fox conduce una sperimentazione che si basa sull’assunto che gli organismi primordiali si siano formati attorno ai vulcani, grazie all’azione del calore prodotto da essi sui gas atmosferici, la cui composizione, secondo Fox, era nella sostanza la stessa ipotizzata da Miller. In base a questo a questi presupposti, egli sottopone a riscaldamento la miscela di gas in condizioni anidre, ed ottiene dei polimeri ad alto peso molecolare composti da amminoacidi che denomina proteinoidi. Rispetto alle proteine, i proteinoidi consistono di un assemblaggio casuale ed anche ramificato di un repertorio ristretto di amminoacidi. Disciolti in acqua, i proteinoidi si suddividono in sferette microscopiche di forma molto regolare e di dimensioni paragonabili a quelle delle cellule procariotiche. Microsfereè la denominazione che egli attribuisce a queste sferette, ed assume che esse siano i progenitori delle prime cellule. Anche in questo caso il problema dell’origine dell’infor-mazione genetica resta completamente eluso.

Günter Wächtershäuser (1938- ) 

Gli scenari della abiogenesi - 3Negli anni ottanta il tedesco Günter Wächtershäuser propone la teoria del mondo a ferro-zolfo. Egli postulò l'evoluzione di vie metaboliche come fondamento dell'evoluzione della vita. Essa si sarebbe verificata in corrispondenza dei “black smokers”, emissioni vulcaniche sottomarine presenti in corrispondenza delle dorsali oceaniche. In tale ambiente sono disponibili calore e composti ridotti dello zolfo, che si tra-formano generando energia. Pertanto, in contrasto con l'esperimento di Miller classico, i "sistemi di Wächtershäuser" funzionano con una risorsa energetica endogena, i solfuri di ferro e altri minerali come la pirite. La reazione di ossidoriduzione di questi solfuri metallici libera energia che non solo

è disponibile per la sintesi di molecole organiche ma anche per la formazione di oligomeri e polimeri. È pertanto ipotizzato che tali sistemi possano evolvere in insiemi autocatalitici di enti-tà metabolicamente attive e autoreplicantesi, che avreb-bero preceduto le forme di vita oggi conosciute.

Gli scenari della abiogenesi - 4

Sidney Altman Thomas Cech (1939-) (1947-)

Nel 1989 il premio Nobel per la chimica viene attribuito a Sidney Altman (canadese) e Thomas Cech (statunitense) . Essi dimostrano che alcune molecole di RNA sono capaci di catalizzare specifiche reazioni. In particolare si tratta di reazioni di rimaneggiamento di trascritti (vale a dire, altre molecole di RNA che codificano specifiche proteine), ma anche della reazione di formazione del legame peptidico durante la sintesi proteica. Ciò ha una rilevanza biologica di prim’ordine, dato che la catalisi è una delle fun-zioni biologiche fondamentali, ed in precedenza si riteneva fosse sostenuta esclusivamente da proteine. Poiché l’RNA può anche contenere l’informazione genetica, la scoperta ha suggerito che esso possa rappresentare la molecola base delle forme primordiali di vita. Molecole di RNA potrebbero infatti assommare in se stesse le due funzioni base: catalisi e deposito dell’informazione. L’RNA potrebbe essere stato al contempo “uovo” (deposito di informazione) e “gallina” (l’informazione attuata).Viene coniata l’espressione RNA world.

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Alcune considerazioni di metodoQuesta breve rassegna (molto incompleta!!) di alcune teorie formulate per dare ragione dei meccanismi all’origine dei sistemi viventi primordiali ci

induce ad alcune riflessioni:

- Con ogni evidenza tali teorie risentono in modo decisivo delle conoscenze biologiche (e in parte anche geologiche) disponibili all’epoca della loro formulazione. Pertanto esse riflettono soprattutto lo sviluppo del pensiero scientifico nell’arco del XX secolo: è più sulla base degli sviluppi della biologia molecolare che le teorie si sono affinate, piuttosto che sulla base di sperimentazioni specificamente orientate a tentare di riprodurre il fenomeno della abiogenesi.

- Il limite più grosso di tutte le teorie è che esse affrontano un aspetto per volta, trascurando così il problema fondamentale legato alla natura del vivente, vale a dire che esso consiste di componenti che operano tutte insieme interagendo in modo coordinato, e che quindi non possono essere comparse una dopo l’altra. L’unica teoria che in parte, ma solo in parte, tiene conto di questo aspetto critico è quella del mondo a RNA.

- Resta irrisolto uno dei problemi chiave della abiogenesi, vale a dire come abbia potuto prodursi un sistema ordinato (e quindi dotato di una contenuto informativo) a partire da un mondo caotico e quindi privo d’informazione. Si deve assumere una tendenza intrinseca della materia a progredire lentamente in tale direzione, autoorganizzandosi.

Altre importati osservazioni - 1Nel mondo attuale esistono organismi procariotici dei quali si ritiene, per le loro caratteristiche molecolari, che abbiano conservato le caratteristiche degli organismi più antichi, molto simili ai primi comparsi sulla Terra. Tali organismi sono denominati per l’appunto archibatteri. Uno dei riscontri della loro antichità è il fatto che sono adattati a condizioni chimico-fisiche estreme, oggi presenti in nicchie ecologiche molto ristrette, e con ogni probabilità rappresentative delle condizioni della Terra primordiale. Alcuni di essi, ad esempio, sono adattati a temperature prossime all’ebollizione (in certi casi addirittura superiore) e a valori di pH estremamente acidi (2-3). Si tratta di condizioni ambientali che oggi si possono riscontrare in corrispondenza di emissioni vulcaniche.

Ebbene, almeno al livello molecolare, la complessità di tali batteri non è lontanissima da quella degli organismi superiori. Dunque, la abiogenesi non ha lasciato alcuna forma intermedia del processo! Plausibilmente, tali forme ipotetiche non possedevano sufficiente stabilità da consentir loro di perpetuarsi nel tempo.

L’archibatterio Sufolobus solfataricus è stato isolato dalle emissioni vulcaniche della solfatara di Pozzuoli (oltre che nel parco di Yellowstone), dove cresce a più di 85°C e a pH < 3.

Altre importati osservazioni - 2

L’analisi molecolare del genoma e delle altre caratteristiche molecolari degli organismi oggi esistenti ha portato alla conclusione, virtualmente certa, che tutti discendono da un unico progenitore comune. Questo microrganismo ipotetico è stato denominato LUCA (Last Universal Common Ancestor). Ciò equivale a dire, in altre parole, che il mondo biologico è monofiletico.Questa osservazione suscita la ovvia domanda se la vita si sia sviluppata un’unicavolta nella storia del nostro pianeta, oppure se vi siano stati molteplici tentativi, tutti abortiti tranne uno (quello da cui anche noi ci siamo origina-ti). Non abbiamo attualmente alcun elemento per poter rispondere a questa domanda (e forse non sarà mai possibile rispondervi).Per altro verso, si sta lavoran-do per definire in modo sem-pre più dettagliato quali fosse-ro le caratteristiche molecola-ri di questo progenitore. LUCA

I TERMINI DEL PROBLEMA

I tempi e l’ambiente della comparsa (il punto di partenza)

La natura del fenomeno vita (il punto di arrivo)

Gli scenari ipotizzati (prebiotici e della abiogenesi)

Quale la probabilità? Esistono punti di riferimento su cui fondare una plausibile valutazione? Esiste vita nell’Universo?

Quali e quante sono le condizioni indispensabili perché su un pianeta si sviluppi la vita?

Una riflessione superficiale sul tema potrebbe far credere che i prerequisiti chimico-fisici perché un ambiente sia idoneo a consentire l’origine della vita siano relativamente pochi e semplici (ad esempio, presenza d’acqua e temperature non troppo alte né troppo basse). In realtà i progressi dell’astrofisica (ma anche della biologia) dimostrano che il problema è molto più complesso; vale a dire che i prerequisiti richiesti sono davvero parecchi. Questa stessa analisi dimostra, di conseguenza, che il pianeta Terra è un ambiente particolarmente privilegiato, se non proprio unico.Affrontiamo dunque il problema prendendo in esame almeno alcune delle condizioni richieste.

•Il Sole deve essere una stella di seconda generazione, derivante dalla condensazione della materia prodotta dall’esplosione di una supernova. Nell’esplosione si producono elementi pesanti (come ad esempio il ferro), indispensabili per la “costruzione” degli organismi.•Il Sole non deve essere parte di un sistema binario, vale a dire composto di due stelle: ciò comporterebbe irradiazioni di intensità estremamente variabile sui pianeti, con una conseguente drammatica instabilità climatica.•Il Sole deve orbitare nella galassia non troppo vicino al centro. In prossimità del centro l’intensità delle radiazioni cosmiche sarebbe idonea a sterilizzare ogni tentativo di vita.

• L’irradiazione del Sole deve essere sostanzialmente costante nel tempo (come in effetti è, mentre ciò non è appannaggio di tutti i sistemi planetari). Ciò ha consentito il mantenimento di acqua liquida sulla superficie del pianeta per miliardi di anni.

• La Terra deve essere un pianeta roccioso, che ruota attorno al Sole alla distanza “giusta” e con un’orbita non troppo ellittica, così da permanere entro un intervallo di distanze dalla stella idoneo a garantire la permanenza di acqua liquida.

• La presenza di pianeti giganti gassosi esterni ha garantito, grazie al loro forte campo gravitazionale, una sostanziale protezione da impatti di asteroidi nell’arco di miliardi di anni.

Galactic Habitable Zone?

• La presenza di un satellite massiccio (la Luna) ha garantito alla Terra una notevolissima stabilità nell’inclinazio-ne dell’asse di rotazione del nostro pianeta. In mancanza di ciò il clima avrebbe subito ripetutamente varia-zioni vertiginose (con cambiamenti della temperatura media anche di parecchie decine di gradi) nell’arco di tempo in cui si è verificata l’evolu-zione biologica. Nessun altro pianeta del sistema solare possiede un satellite di massa così relativamente elevata, come quella della Luna rispetto a quella della Terra.

• La tettonica a placche e il conseguente vulcanesimo, ha garantito un apporto di CO2 nell’atmosfera tale da generare un effetto serra naturale, senza il quale la temperatura – secondo alcune stime – sarebbe stata più bassa di circa 30°C.

“Rimozione” della Luna

• La Terra possiede un forte campo magnetico (contrariamente alla maggior parte dei pianeti del sistema solare) che scherma la superficie da buona parte dei raggi cosmici. In sua assenza la superficie verrebbe steriliz-zata da un continuo bombardamento di radiazioni.

Qual è dunque la probabilità? (e quindi la frequenza?)La probabilità di un evento composto è data dal prodotto delle probabilità

degli eventi singoli

Su questo principio si basa la formula di Drake (anni ‘60):

N = R f1 f2 ne f3 f4 f5L

N: numero di civiltà nella nostra GalassiaR: tasso medio di formazione di stelle nella Galassiaf1: frazione di stelle con proprietà compatibili con lo sviluppo della vitaf2: frazione di stelle che hanno sistemi planetarine: numero medio di pianeti, in un sistema planetario, che possiedono un ambiente favorevole alla comparsa della vitaf3: frazione di pianeti in cui la vita effettivamente è nataf4: frazione di pianeti in cui la vita si è sviluppata fino a generare forme intelligentif4: frazione di pianeti in cui la vita si è sviluppata fino a generare forme intelligenti capaci di tecnologie avanzateL: vita media delle civiltà evolute

The Drake equation:

“A wonderful way to organize our ignorance” Jill Tarter

(Former Director of the Center for SETI Research)

Dunque?

• La combinazione di tutti i prerequisiti chimico-fisici (che abbiamo sopra discusso a grandi linee) potrebbe rendere la probabilità di un pianeta abitabile evanescentemente piccola.

• La vita potrebbe non esistere nell’Universo (al di fuori della Terra) perché l’Universo è “troppo piccolo”! Solo 1023 stelle.

Inoltre…

Qual è la probabilità che a fronte di condizioni chimico-fisiche compatibili, la vita si sviluppi effettivamente?

Le stime vanno da 1 (=100%) a 10-40000 …(Stuart Kauffman – At home in the Universe)

"Se si vuole sostenere il concetto che la vita abbia avuto un'origine inorganica puramente casuale, ogni altra speculazione diviene impossibile: ogni cosa non risulterebbe altro se non il frutto di un caso. Quando tuttavia ci rendiamo conto che la probabilità che la vita sia nata per caso è talmente minuscola da rendere assurdo questo concetto, diviene ovvio pensare che le proprietà della fisica che hanno favorito la nascita della vita siano sotto ogni aspetto qualcosa di deliberato".

F. Hoyle e N.C. Wickramasinghe.(da “Evolution from space”)