ORIGINI DELLA VITA - INTRODUZIONE

INTRODUZIONE

BIOLOGIA UNIVERSALE

IL PUNTO DI VISTA CHIMICO

LE BIOMOLECOLE

ENERGIA

vesicles.jpg (11147 byte) INTRODUZIONE

STORIA

CRONOLOGIA

BIOGRAFIE

Indice di Storia delle Scienze Sperimentali

 

Roberto Franco

Tesina per il Corso di Storia ed Epistemologia della scienza

SIS, Torino

How life begins remains a fundamental unsolved mystery...

 

INTRODUZIONE

Intorno alla metà del XX secolo gli studi sulll'evoluzione chimica ancora rifacentisi alla tradizione della fine del XIX subirono una divisione; cambiarono enfasi passando dall'inorganico all'organico. La progressiva sintesi di diversi elementi chimici nelle stelle partendo dall'idrogeno attraverso trasformazioni nucleari divenne relativamente ben conosciuta, confermando le generali congetture dei chimici e dei fisici del XIX secolo sulle relazioni tra idrogeno e elementi più pesanti...  

... ma le origini della vita rimangono un fondamentale irrisolto mistero.

L'origine della vita sulla terra probabilmente rappresenta solamente uno dei tanti percorsi possibili per la comparsa della vita. Noi dobbiamo comprendere i principi universali che sottendono non solo alle origini della vita sulla terra ma anche alla possibile origine della vita altrove. Questi principi vengono ricercati determinando quali materie prime necessarie alla vita possono essere prodotte attraverso l'evoluzione chimica nello spazio e sui pianeti. Dovrebbe essere così compreso come i composti organici vengano ad assemblarsi in più complessi sistemi molecolari e quali sono i processi attraverso cui questi complessi sistemi riescono a sviluppare le proprietà fondamentali per dare origine alla vita. Queste proprietà includono la cattura dell'energia e dei nutrienti dall'ambiente circostante e la possiblità di duplicare le molecole chiave per la vita.

BIOLOGIA UNIVERSALE

Non dobbiamo commettere l'errore di concentrare l'attenzione sulle nostre particolari origini bensì cercare di sviluppare una disciplina più ampia, una sorta di Biologia Universale. E' infatti necessario definire le condizioni ambientali, le strutture chimiche e le reazioni che sono in grado di supportare la vita su altri pianeti abitabili. Queste condizioni potrebbero essere molto differenti da ciò che potremmo aspettarci basandoci sulla biologia della terra. Per esempio l'acqua allo stato liquido è essenziale per ogni forma vivente sul nostro pianeta ma in particolari condizioni sperimentali alcuni sistemi chimici possono ottenere una forma di replicazione in solventi non acquosi. Inoltre particolari esperimenti di laboratorio che coinvolgono acidi nucleici, proteine, zuccheri e lipidi indicano che le particolari strutture molecolari trovate nella forme di vita terrestri potrebbero non essere essenziali in forme di vita aventi una genesi indipendente dalla terra. La prospettiva guadagnata da questo lavoro migliorerà sia la ricerca di ambienti abitabili nel sistema solare sia la ricognizione di biosegnature all'interno di questi stessi ambienti. L'invenzione della traslazione, la creazione di nuovi percorsi metabolici, l'adattamento di organismi a condizioni estreme, l'esistenza di forme di vita multicellulari e funzioni superiori, sono tutte situazioni derivate dalla chimica intrinseca delle molecole che supportano il particolare esempio di vita che ha raggiunto le suddette innovazioni. Vista l'abbondanza di opportunità da un punto di vista chimico, sembra probabile che uno sforzo di ricerca allargato possa portare a nuovi sistemi molecolari in possesso della combinazioni di caratteristiche che noi associamo con processi legati alla vita. Una tale ricerca potrebbe aiutarci a meglio comprendere il legame tra l'evoluzione molecolare e la chimica.
IL PUNTO DI VISTA CHIMICO Per comprendere come la vita possa avere origine su un pianeta abitabile come la terra, è essenziale conoscere quali composti organici potevano essere disponibili e come questi interagivano con l'ambiente planetario. Le sintesi chimiche che avvengono all'interno della crosta, nell'idrosfera e nell'atmosfera potenzialmente sono importanti fonti di composti organici. Quindi continuano ad essere un importante focus di ricerca in questo ambito. La chimica prebiotica potrebbe incominciare nelle nuvole interstellari. Simulazioni in laboratorio hanno recentemente dimostrato che molecole chiave possono essere sintetizzate nei ghiacciai interstellari che sono incorporati con i nascenti sistemi solari, e osservazioni astronomiche e analisi di materiali extraterrestri hanno mostrato che molti composti fondamentali per i processi vitali sono presenti anche nelle meteoriti, nella particelle di polvere interstellare e nelle comete. E' probabile che una considerevole quantità di questo materiale organico sia arrivato sulla terra, fornendo così composti organici che possono essere direttamente incorporati in primordiali forme di vita o servire come base per una successiva evoluzione chimica. Un importante obiettivo di ricerca all'interno di questo ambito è quello di stabilire sorgenti di composti organici prebiotici e di comprendere la loro storia in termini di processi uiniversali che avvengono su pianeti di recente formazione. Questo richiederà un programma integrato di osservazioni astronomiche pan spettrali, missioni per raccolta di campioni, analisi di materiale extraterrestre e simulazioni di laboratorio realistiche in grado di riprodurre inaccessibili ambienti cosmici.
LE BIOMOLECOLE

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Gli esseri viventi possono essere visti come un sistema chimico che unisce le comuni proprietà dei composti organici - l'abilità di sottoporsi a trasformazioni spontanee - con la insolita capacità di sintetizzare una copia di tale sistema. Questo processo permette cambiamenti tali da consentire una selezione ed una evoluzione continua. Al centro dei processi collegati all'origine della vita troviamo i polimeri composti di specie monomeriche come gli aminoacidi, i carboidrati e i nucleotidi. I percorsi attraverso i quali i monomeri si trasformarono nei primitivi polimeri rimane tuttora sconosciuto e le proprietà fisiche dei prodotti inesplorate. Uno degli obiettivi primari della ricerca deve essere quella di meglio comprendere l'origine e le proprietà di tali polimeri, e il cammino evoluzionario attraverso cui le reazioni di polimerizzazione di peptidi e oligonucleotidi divennero geneticamente collegate.
L'ENERGIA Assiomaticamente, la vita non può esistere in un ambiente all'equilibrio termodinamico. Se l'ambiente è in equilibrio, per la seconda legge della termodinamica non dovrebbe avvenire nessuna trasformazione chimica; quindi possiamo assumere che la vita ebbe origine in un ambiente non in equilibrio, con energia a disposizione per far avvenire le trasformazioni chimiche necessarie. Una domanda fondamentale riguarda i meccanismi attraverso i quali questa energia venne catturata dalle primordiali forme di vita. Le forme di energia disponibili comprendevano la luce, l'energia di legame e l'energia coinvolta in reazioni di ossidoriduzione. Sembra probabile che la fotosintesi apparve ai primordi della storia evoluzionaria; quindi assume rilevanza identificare i primitivi pigmenti. Venti spaziali e altri ambienti geotermici offrono una seconda potenziale sorgente di energia sotto forma di gas come idrogeno e solfuro di idrogeno. All'interno delle cellule l'energia presente nei legami chimici è catturata attraverso il metabolismo; per le prime forme di vita il metabolismo doveva essere costituito da semplici reazioni chimiche. Sarebbe quindi auspicabile indirizzare la ricerca verso l'identificazione di meccanismi che permettano di associare le fonti di energia su citate con metodi di polimerizzazione.


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