Lorigine della vita
e lesperimento di Miller

I.C. San Bernardino, Siena3D 2014/15Lorenzo Cembalo-Alessandro Marmi-Tola Petrioli- Duccio TaddeiIL SARAGIO

Il Sole e i pianeti che lo circondano si formarono circa 5 miliardi di anni fa dopo lesplosione di una supernova che aveva generato al suo interno elementi pesanti a partire dallidrogeno e dallelio.La Terra era unenorme palla incandescente composta in prevalenza da idrogeno ed elio, ma anche da elementi pesanti come carbonio, azoto, ossigeno, ferro e silicio.

LA NASCITA DEL SISTEMA SOLARE

GLI ELEMENTI LEGGERI

In seguito la Terra divent fredda e i gas pi leggeri in parte reagirono con gli elementi pi pesanti e in parte si dispersero nello spazio. Lelio si disperse quasi tutto perch leggero e poco reattivo con altri composti, mentre una parte dellidrogeno reag con altri elementi formando composti idrogenati come il metano, lammoniaca, lacido solfidrico e lacqua .

GLI ELEMENTI PESANTI

Gli elementi pi pesanti iniziarono a formare un nucleo centrale composto soprattutto da ferro e nichel, e un mantello posto sopra, formato da elementi pesanti e una crosta, la pi superficiale, fatta da elementi leggeri come alluminio, potassio e sodio. Mentre si formava la crosta, si liberarono attraverso le spaccature molti gas volatili che arrivavano dallinterno della Terra e che formarono quella che viene considerata latmosfera primordiale.

LA TRASFORMAZIONE DELLE MOLECOLE

Alcuni esperimenti hanno dimostrato che in condizioni di alte temperature, temporali frequenti e intensi raggi ultravioletti, molecole inorganiche semplici hanno avuto la possibilit di trasformarsi in sostanze pi complesse. Queste sostanze organiche sai sciolsero nel mare e reagirono tra di loro e con i sali inorganici.

IL BRODO PRIMORDIALE

Laccumulo delle sostanze organiche era notevole poich non esistevano n microrganismi decompositori n ossigeno che avrebbero potuto modificarle. Cos si form una sostanza piuttosto concentrata che gli scienziati chiamano brodo primordiale.Oggi una sostanza simile fermenterebbe e produrrebbe esalazioni velenose. In mare alcune molecole avrebbero potuto ripararsi dai raggi ultravioletti, mentre altre avrebbero trovato condizioni ottimali per unirsi e organizzarsi in strutture pi complesse, formando i cosiddetti polimeri.

JOHN HALDANE

Il biologo inglese John Burdon Sanderson Haldane (1892-1964) allincirca intorno al 1920, dopo aver considerato che la Terra allorigine aveva caratteristiche molto diverse rispetto ad oggi, inizi a trarre alcune conclusioni. Allinizio sulla Terra primitiva non si trovava la vita come invece c ora.

LA TEORIA DI HALDANE

Secondo Haldane se attualmente si formasse la materia organica, verrebbe subito eliminata da qualche organismo vivente, mentre allora in totale assenza di microrganismi in grado di decomporla, sarebbe rimasta tranquilla ed avrebbe avuto il tempo di svilupparsi e di diventare pi complessa.

ALEKSANDR OPARIN

Nel 1924 un ricercatore sovietico Aleksandr Ivanovic Oparin propose teorie simili a quella di Haldane, ma con la differenza che a parere del primo latmosfera primitiva doveva essere ricca di idrogeno, secondo lo scienziato inglese invece, era ricca di anidride carbonica. Per avere conferme sperimentali su questa nuova teoria si partir proprio da questo ultimo presupposto.

I CONTRASTI CON LA CHIESA

Oparin e Haldane affrontarono largomentoa dal punto di vista prettamente scientifico tralasciando condizionamenti religiosi e questo ovviamente non venne accettato dai credenti che invece cercavano di dimostrare che la vita non poteva essere stata creata con un incontro casuale tra atomi, ma che era opera di Dio.

LE COMBINAZIONE DELLE MOLECOLE SEMPLICI

In effetti, le proteine, ad esempio, sono molecole estremamente complesse che non si possono essere formate grazie ad incontri casuali con atomi di idrogeno, carbonio, ossigeno e azoto, ma si dimostrato sperimentalmente che le combinazioni possibili delle molecole pi semplici sono legate da leggi fisiche e chimiche e quindi sono limitate e non casuali.

STANLEY MILLER

Stanley Lloyd Miller 7 marzo 1930 20 maggio 2007) stato un biochimico statunitense. noto per i suoi studi nel campo dell'origine della vita, e in modo particolare per l'esperimento di Miller-Urey che dimostr che dei composti organici possono essere creati da processi fisici abbastanza semplici a partire da sostanze inorganiche. Per svolgere l'esperimento, Miller ricre le condizioni ambientali che si supponeva esistessero al tempo della Terra primordiale.

LESPERIMENTO DI MILLER-UREY

Nel 1952 il professore americano Harold Clayton Urey, incaric un giovane ricercatore, Stanley Lloyd Miller, di eseguire un esperimento.Allinterno di una boccia di vetro, Miller mise dellacqua mantenuta ad alta temperatura e in unaltra boccia una miscela di idrogeno , ammoniaca e metano, cio tutti quei gas che insieme al vapore acqueo si pensava potessero costituire latmosfera primordiale.

LO SVOLGIMENTO DELLESPERIMENTO

Lacqua calda, che avrebbe dovuto rappresentare secondo gli scienziati loceano primitivo, creava vapore che passando attraverso un tubo arrivava al recipiente che conteneva la miscela di gas. Allinterno di questultimo contenitore venivano generate scariche elettriche a 60.000 volt che dovevano riprodurre fenomeni temporaleschi.

I RISULTATI

Lesperimento dur una settimana, alla fine della quale si osserv con grosso stupore che nel recipiente dellacqua si trovava un liquido rosso-arancio che conteneva molti composti, ma in particolare alcuni aminoacidi, cio i precursori delle proteine che sono i componenti principali di ogni essere vivente.

LIPOTESI OTTENUTA

Lesperimento di Miller dimostr che da composti semplici, che si pensava fossero presenti nellatmosfera primordiale, si potevano formare molecole complesse, quelle appunto che si trovano nei composti organici di tutti gli organismi viventi. Si ipotizz quindi che in unatmosfera primitiva caratterizzata da continui fenomeni temporaleschi, calore e radiazioni ultraviolette, attraverso semplici processi chimici di sintesi, si sarebbero potuti formare i precursori biologici degli esseri viventi.

INFORMAZIONI OTTENUTE

In seguito le piogge avrebbero trasportato questi semplici composti organici fino al mare, dove, successivamente avrebbero potuto trasformarsi e accrescersi. Creare in laboratorio gli aminoacidi non significa creare un organismo vivente, ma questo fu un importante passo avanti verso la formazione chimica degli esseri viventi. Da allora molti scienziati hanno ripetuto l esperimento di Miller con molte varianti.

ULTERIORI PASSI IN AVANTI

Una nuova ricostruzione dei classici esperimenti di MIller sulla formazione di composti organici complessi a partire dalle molecole semplici del brodo primordiale dellantichissima terra hanno mostrato il ruolo centrale dei campi elettrici presenti nellambiente.Lo studio stato condotto da A. Saitta e S. Saija che riferiscono di avere identificato tramite simulazioni al computer il fattore chiave che indirizza le reazioni chimiche a produrre particolari molecole complesse.

JOAN ORO

Nel 1961, in un esperimento con una soluzione acquosa di ammoniaca e acido cianidrico, Joan Or dimostr che un apporto energetico dovuto a riscaldamento o a scariche elettriche portava alla formazione di adenina, una delle basi azotate che formano i nucleotidi degli acidi nucleici.

LIPOTESI DELL EVOLUZIONE DELLE MOLECOLE

Gli esatti progetti di sintesi che portano le molecole semplici a molecole organiche semplici e infine a molecole complesse non sono chiari, per spiegarli sono stati chiamati in causa lirradiazione UV, lenergia termica delle fonti idrotermali marine le radiazioni di fondo pianeta e perfino le onde durto generate dagli impatti dei meteoriti.

LA NASCITA DEGLI UNICELLULARI

Per milioni di anni le molecole si unirono in vario modo formando composti organici complessi che si accumularono nel mare ben protetti dalle acque.Alcune molecole si organizzarono in piccole sfere in grado di riprodursi dividendosi in modo impreciso in due parti. Nacquero cos le prime cellule procariote, prive di nucleo ed eterotrofe incapaci cio di fabbricare autonomamente il propio nutrimento e simili nella struttura ad alcuni attuali batteri.

LEFFETTO DEI RAGGI ULTRAVIOLETTI

I primi unicellulari potevano vivere soltanto protetti dalle acque perch, mancando lossigeno atmosferico, non esisteva ancora lo strato di ozono che impediva ai raggi ultravioletti pi aggressivi di andare sulla terra.Quando il nutrimento nellacqua inizi a scarseggiare furono avvantaggiate quelle cellule che, grazie a particolari pigmenti contenuti nel citoplasma potevano utilizzare la luce del sole per fabbricare il proprio nutrimento cio le cellule autotrofe.

LA COMPARSA DELLA FOTOSINTESI

Le cellule autotrife, simili alle attuali alghe azzurre si diffusero e cominciarono a immettere nella atmosfera grandi quantit di ossigeno: lo scarto del loro nutrimento, le cellule autotrofe cos facendo misero in pratica la prima fotosintesi.

LOSSIGENO NELLATMOSFERA

Fu propio la nuova presenza di ossigeno nellatmosfera la causa di unaltra importante tappa evolutiva, grazie alleffetto della fotosintesi i batteri per i quali lossigeno era nocivo furono inglobati in altri organismi stabilendo un rapporto di simbiosi: in cambio di protezione fornivano nutrimento alle cellule. Da questo momento gli organismi furono capaci di respirare ossigeno.

LE CELLULE EUCARIOTE

Da 1,5 a 0,8 miliardi di anni fa avvenne unulteriore e importante tappa evolutiva: comparvero le prime cellule eucariote, dotate cio di nucleo e capaci di riprodursi per mitosi: la cellula si divide in due cellule identiche contenenti nel nucleo le stesse informazioni ereditate dalla cellula madre.

COMPAIONO I PLURICELLULARI

La fase successiva dellevoluzione degli esseri viventi fu la comparsa dei primi semplici organismi pluricellulari 540 milioni di anni fa. Le prime alghe pluricellulari e i primi semplici animali si affermarono rapidamente nelle acque del mare, dove divennero sempre pi evolute.Questi esseri avevano enormi vantaggi: vita pi lunga, molti discendenti, sono pi efficienti perch cellule di tipo diverso sono specializzate per funzioni diverse.

LA VITA SULLA TERRAFERMA

Nel frattempo lossigeno prodotto dalla fotosintesi form attorno alla terra unostrato di ozono che ridusse notevolmente laione nociva del sole. Quando alcune alghe spinte dalla carenza dacqua si adattarono a vivere sulla terraferma trovarono un ambiente ospitale e si diffusero rapidamente. Molto tempo dopo anche gli animali uscirono dallacqua e si adattarono a vivere nell ambiente terrestre difersificandosi in forme sempre pi complesse.

FINE