Origine della vita: il lim ite della nost ra conoscenza

Vita: una ricerca universale

Jacques Reisse(Université Libre de Bruxelles)

Conferenza tenuta alPlanetario di Milano il 12/10/2004

www.com une.m ilano.it /planetario

Una quest ione fondam entale

Sulla base delle nost re conoscenze at tuali, è possibile o no dare una risposta scient ifica alla dom anda:

com e è apparsa la vit a sulla Terra?

Definizione della vita

Insiem e delle proprietà che perm et tono

di differenziare sistem i non-vivent i e sistem i vivent i

Definizione m inimalista di un sistem a vivente

• Sist em a apert o dinam ico capace di controllare i suoi scam bi con il m ondo est erno per m antenere la sua int egrit à , capace anche di dividersi in due sistem i che hanno, ciascuno, delle proprietà sim ili m a non necessariam ente ident iche al sistem a iniziale (evoluzione )

Impossibilità logica di definire l’origine

• Della vita (m a anche dell’uom o, del linguaggio, della seconda guerra m ondiale,…)

Transizione graduale t ra il «  non-vivente  » e il «  vivente  »

Generazione spont anea progressiva

Due punt i di vista, due prem i Nobel

• «  L’Universo non è pieno di vita. Il nost ro num ero è uscito al casinó di Monte Carlo  » (J. Monod, 1970)

• «  La vita fa parte della t ram a stessa dell’Universo. Se non fosse la conseguenza inesorabile delle proprietà com binatorie della m ateria, sarebbe stato assolutam ente im possibile per la vita nascere in una m aniera naturale  » (C. de Duve, 1990)

Perché due punt i di vista cosí diversi?

• Perché non c’è (ancora?) una risposta scient ifica non discut ibile

• Perché non ci sono piú t racce di quest i event i «  prebiot ici  »

• Perché rim aniam o al livello dell’opinione personale (e parzialm ente sogget t iva! )

L’origine della vita: una quest ione fondam entale per

H.S.• Probabilm ente una delle piú vecchie

dom ande che si pone H.S.Da dove veniam o, da dove vengono gli a lt r i esseri vivent i?

• Risposte religiose o filosofiche (filosofi presocrat ici, Lucrezio, Bruno, Kant ,…)

• Quest ione che ent ra nel cam po della ricerca scient ifica durante il diciannovesim o secolo (anche negandola)

Risposta t ram ite la negazione della quest ione

• Non ci chiediam o m ai qual è l’origine dell’energia cinet ica. Possiam o dunque abituarci all’ idea che la vita è eterna e che cercare la sua origine è una ricerca inut ile  »

Arrhenius (1909)

Risposta t ram ite la negazione «  prudente  » della quest ione

«  E’ vano riflet tere oggi sull’origine della vita com e sarebbe vano riflet tere sull’origine della m ateria  »

Darwin (1863)

Già nel 1871 Darwin pensa all’origine della m ateria e della

vita!«  …se (m a che grande se! ) potessim o

im m aginare che in un piccolo stagno caldo, pieno di diversi t ipi di sali di am m onio e di sali fosforici, in presenza di luce, calore ed elet t ricità, un derivato proteinico si è potuto form are, pronto a subire delle m odifiche piú com plesse ancora…  »

Fat t i e osservazioni diversi

• La Terra ha 4,6 m iliardi di anni (accrezione rapida di una nube di gas e di polvere chiam ata protonebulosa solare)

• La form azione della Luna è dovuta a un im pat to che ha avuto luogo poco dopo l’accrezione

• Prim i oceani: 4,4 m iliardi di anni fa• Periodo di bom bardam ento intenso

fino a 3,9 m iliardi di anni fa

La Terra:un luogo m olto privilegiato

• La posizione del sistem a solare nella galassia

• Il Sole: una stella con una vita lunga• Una distanza T-S ot t im a (acqua

liquida)• La Luna com e «stabilizzatore»• Giove nella posizione «  giusta  »,

com e «protet tore» cont ro gli im pat t i t roppo frequent i

Da quando ci sono esseri vivent i sulla Terra?

• Da 3,8 m iliardi di anni? (effet t i isotopici)

• Da 3,5 m iliardi di anni? (m icrofossili o m icrost rut ture m ineralogiche?)

• Da 2,9 m iliardi di anni (non c’e dubbio! )

• LUCA era un m icro-organism o del t ipo procariota, probabilm ente eterot rofo

LUCA non era la form a la piú prim it iva di vit a

I cost ituent i degli esseri vivent i

• Acqua liquida (effet to st rut turante sulle m olecole idrofobe o am fifile)

• Molecole organiche (che contengono C) capaci, per la m aggior parte, di form are dei polim eri di condensazione

H-A-OH + H-B-OH + H-C-OH + H-B-OH

dannoH-A-B-C-B-OH + 3 HOH

Diversi t ipi di H-A-OH

• Am inoacidi (che danno le proteine)

• Nucleot idi (che danno gli acidi nucleici)

• Zuccheri (che danno i polisaccharidi)

Alt ri t ipi di m olecole che vengono da una condensazione

• Nucleot idi (base + ribosio + H3PO4 )

(base + desossiribosio+ H3PO4)

• Esteri di acidi grassi (cost ituent i delle m em brane)

• Molte alt re m olecole

Abbondanza dell’acqua e della m ateria organica nell’Universo

• 1H, 4He, 16O, 14N, 12C: elem ent i piú abbondant i nell’Universo

• H2 e CO: m olecole piú abbondant i• H2O, NH3, H2CO rivelate nelle nubi

interstellari (1968)• Oggi, piú di 150 m olecole ident ificate

usando spet t roscopie MO e IR (m aggioranza di m olecole organiche com e C2H5OH, PAH, HC11N, glicina?)

Origine della m ateria organica sulla Terra prim it iva

• Origine esogena (m eteorit i, m icrom eteorit i,asteroidi, com ete)

• Origine endogena: sintesi nell’atm osfera della Terra prim it iva (che non era riducente)

• Im portanza relat iva dei due processi non ancora chiara

• Situazione sim ile per l’acqua (vulcanism o o origine esogena)

Am inoacidi condrit ici

• Piú di 75 AA t rovat i in Murchison (1969) t ra i quali 7 AA proteinici

• Risult at o im port ant issim o «  Enant iom eric excesses in m eteorit ic Am ino acids  »J. Cronin and S. Pizzarello (1997)

«  Conosciam o  » l’origine delle m olecole di base della vita!

• La vera quest ione: com e si passa dai com ponent i di un aereo al Boeing in volo (senza ingegneri, senza pianificazione, senza pilota)?

• Che sappiam o dell’evoluzione chim ica?

• Com e la m ateria ha potuto st rut turarsi in un sist em a dinam ico m olt o com plesso(st rut tura spazio-t em porale )

La biblioteca di Alessandria è stata dist rut ta!

• Aspet to posit ivo per gli storici!

Sit uazione de l t ut t o diversa per i chim ici

• Non ci sono «  fossili prebiot ici  »• Non ci sono «  fossili chim ici  »• Si può solo proporre degli scenari e

discutere la loro plausibilità

Esigenza fondam entale

• Gli scenari devono tenere conto delle condizioni fisico-chim iche sulla Terra prim it iva (tem peratura e com posizione dell’atm osfera e degli oceani, acidità degli oceani,..)

Problem a im port ant e : queste condizioni non sono conosciute con certezza

Evoluzione chim ica e evoluzione biologica

• Biologica : variazioni aleatorie in una popolazione sot to le cost rizioni esterne, con selezione durante la riproduzione

• Chim ica : variazioni delle st rut ture m olecolari sot to le leggi della term odinam ica e della cinet ica e selezione sulla base della resistenza alla degradazione e della capacità di autocatalisi (riproduzione m olecolare)

«  Adaptat ion  » versus «  exaptat ion  »

• Definizione di «  exaptat ion  »: «  Exaptat ion: features that now enhances fitness but were not built by natural select ion for their present role  »

Gould and Urba (1982)

Selezione nat ura le a l live llo m olecolare :

-Resistenza alla degradazione-Autocatalisi

Carat terist ica dell’evoluzione biologica

• Legata alla variazione aleatoria (m utazioni, t rasferim ent i orizzontali di geni) del codice genet ico

Tra i sist em i nat ura li, solo gli esseri vivent i sono «  codif icat i  »

Il codice genet ico ( il nost ro come quello di tut t i organism i

vivent i) e probabim ent e anche quello di

LUCA!

• Sequenza aleatoria m a significante di nucleot idi(sequenza aleatoria: sequenza che non puo essere com pressa con un algoritm o di calcolo)

Mai confondere inform azione con il suo supporto

• L A N I M O• O M A L I N• N A L I M O• M I L A N O

La parola MILANO non ha un significato per un cinese!

• Informazione = messaggio «  capito  »

Codice biologico

• Supporto del codice: sequenza di t riplet t i di nucleot idi (ADN o ARN)

• «  Traduzione  » in una proteina che ha una funzione specifica (enzim a)

Funzione = m essaggio «  capit o  »• ADN (o ARN) da solo non è un

m essaggio m a diventa m essaggio quando è let to e t radot to

Carat terist iche dell’essere vivente

• Sistem a aut oprogram m at o• per rim anere lontano dall’equilibrio

chim ico t ram ite una regolazione dei suoi scam bi di m ateria e di energia con il m ondo esterno

• per usare questa m ateria e questa energia in un m odo «  efficiente  » (m etabolism o) e per dividersi in due sistem i sim ili

La quest ione fondam entale

• Com e nasce spont aneam ent e il codice (sem ant ica m olecolare)?

Richiede una co-evoluzione chim ica nello spazio e nel tem poo richiede la form azione spontanea di una m olecola con un doppio ruolo (m ondo ARN?)

Tra il «conosciuto» e il «non-conosciuto»

«  Conosciut o  » (piú o m eno! )• Origine delle m olecole di base della

vita • Form azione spontanea delle

m em brane • Form azione spontanea degli

oligopept idi• Term odinam ica dei sistem i apert i,

lontano dall’equilibrio

Tra il «  conosciuto  » e il «  non-conosciuto  »

«  Non-conosciut o  »• Form azione spontanea dei nucleot idi

e dei polinucleot idi• Processi di accum ulazione nello

stesso luogo e allo stesso m om ento di tut t i gli ingredient i di un sistem a «  vivente  »

• Form azione spont anea di una sem ant ica m olecolare

Conclusioni

• Non confondere m ai origine delle m olecole di base della vita (acqua, sali, m olecole organiche) e origine della vita

• Il piú sem plice dei m icroorganism i è un sist em a dinam ico di un livello di com plessità enorm e

• L’origine del codice genet ico rim ane la quest ione fondam entale (senza risposta! )

Conclusione generale

• Ot t im ist a!Abbiam o capito «  quasi tut to  »

• Pessim ist a!-Non abbiam o capito quello che fa la specificità della vita: l’origine del codice-Non abbiam o capito perché l’evoluzione della m ateria va sem pre verso una com plessità crescente

Un’opinione provocatoria« l’esistenza di un potente principio di organizzazione - di leggi fisiche supplem entari che sono legate alle proprietà collet t ive e cooperat ive dei sistem i com plessi e che non si possono derivare da leggi fisiche soggiacent i - rim ane un’ idea provocatoria m a speculat iva  »

P. Davies (1988)