La chimica dell’origine della vita.

Claudio Della Volpe

Ringrazio Annarosa Luzzatto che mi ha segnalato l’articolo di cui vi parlo oggi.

L’origine della vita è stata sempre un argomento di grande attrazione e penso non solo per me; quando ero studente ebbi anche l’occasione di farci una tesi, ma poi il tutto sfumò per una di quelle storie che solo qualche napoletano sessantottino potrebbe capire; ma ve la racconto un’altra volta.

Invece vi ricordo da dove è partita questa idea di ricostruire la chimica dell’origine della vita; in principio, è il caso di dire, fu Miller e il suo esperimento.

Stanley Miller e Harold Urey provarono a capire cosa sarebbe successo nell’atmosfera primordiale della Terra se sottoposta alle condizioni di temperatura e di scariche elettriche che si pensava dominassero allora.

Una atmosfera fortemente riducente, composta di ammoniaca, metano, idrogeno ed acqua sottoposta a continue scariche elettriche produceva spontaneamente le molecole basilari della vita, ossia gli amminoacidi.

Si veda anche https://it.wikipedia.org/wiki/Esperimento_di_Miller-Urey

L’esperimento si basava a sua volta sulle idee di due grandissimi scienziati il russo Oparin e l’inglese Haldane (comunistaccio pure lui come Oparin) che svilupparono la teoria dell’origine della vita dalla non vita, dal mondo    inorganico; questa idea di evoluzione, che vede la vita come il risultato spontaneo dei processi naturali senza alcun intervento divino era stata espressa anche da Engels ne “La dialettica della Natura” e nell’Antiduhring; Engels stava in quel momento accettando le idee più avanzate sul tema proposte pochissimi anni prima da Charles Darwin.

In una lettera a Joseph Dalton Hooker del 1º febbraio 1871, Charles Darwin suggerì che l’iniziale scintilla della vita poteva essersi verificata in un “piccolo e tiepido stagno, contenente ammoniaca e sali fosforici, luce, calore, elettricità, ecc., in modo che una proteina fosse chimicamente prodotta pronta per subire nuovi e più complessi cambiamenti“. Egli proseguiva spiegando che “oggi tale materia sarebbe istantaneamente divorata o assorbita, cosa che non sarebbe avvenuta prima della formazione delle creature viventi“.
A sua volta questa idea di Darwin era solidamente basata sui risultati di Pasteur che nel 1864 aveva smontato la teoria della generazione spontanea; sembra questo un paradosso, ma non lo è; la generazione spontanea che Pasteur confutò non è quella proposta da Darwin, il quale pensava ad un processo molto più lungo e che si sviluppava in un ambiente sterile, partendo dai componenti elementari della vita, le molecole organiche come amminoacidi ed acidi nucleici.

Ovviamente fra questo stadio e quello della semplice cellula procariota ci sono milioni di anni di evoluzione dei sistemi ad iperciclo (proposti da Manfred Eigen).

In un ambiente lontano dall’equilibrio come la superficie terrestre, in presenza di un flusso continuo di materia ed energia libera la formazione di strutture è un processo spontaneo; argomento di cui abbiamo già discusso a proposito del “flusso entropico”.

(anche qui)

L’esperimento di Miller è stato rianalizzato dopo qualche anno a partire dai suoi medesimi materiali conservati e anche ripetendolo e si è concluso che si formavano decine di composti organici diversi.

Nel 1961 Joan Oró, dell’Università di Houston, preparò una soluzione acquosa contenente ammoniaca ed acido cianidrico, un composto che si formava nell’atmosfera riducente proposta da Miller, ed ottenne, insieme agli amminoacidi, grandi quantità di adenina, una delle 4 basi azotate presente sia negli acidi nucleici che nell’ATP.

In definitiva Miller e Urey diedero la stura ad esperimenti concreti per ricostruire in dettaglio almeno la possibilità di formazione spontanea dei principali composti di una cellula.

Vale la pena ricordare che in tempi più recenti a-amminoacidi sono stati trovati sia nei ghiacci cometari (l’esperimento Rosetta https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Rosetta/Rosetta_s_comet_contains_ingredients_for_life) che perfino nello spazio profondo, in questo caso si trattava di glicina il più semplice di tutti gli amminoacidi attraverso la sua impronta spettroscopica nell’intervallo delle microonde (The Astrophysical Journal, 593:848–867, 2003 August 20
 scaricabile qui).

Il lavoro di cui vi parlo oggi, pubblicato come Letter su Nature alla metà dello scorso anno affronta uno dei punti non ancora chiariti di questo lungo e complesso processo “spontaneo”: la formazione del legame a-peptidico fra gli amminoacidi per ottenere le proteine.

Peptide ligation by chemoselective aminonitrile coupling in water

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1371-4

Pierre Canavelli, Saidul Islam & Matthew W. Powner

Dicono gli autori:

Qui riportiamo la formazione di un legame α-amminonitrile ad alta resa chemoselettiva, che sfrutta solo molecole prebioticamente plausibili – acido solfidrico, tioacetato e ferricianuro o cianoacetilene – per produrre peptidi α in acqua. La formazione del legame è estremamente selettiva per l’accoppiamento α-aminonitrile e tollera tutti i 20 residui di aminoacidi proteinogenici. Due caratteristiche essenziali consentono la formazione dei peptidi in acqua: la reattività e il pKaH degli α-aminonitrili li rendono compatibili con la formazione del legame a pH neutro e la N-acilazione stabilizza il prodotto peptidico e attiva il precursore peptidico nei confronti della formazione del legame peptidico (biomimetico) da N a C.

Il ciclo reattivo è descritto nella figura qua sotto.

Si tratta dunque di una proposta alquanto ingegnosa ma semplice che consente di immaginare una strada spontanea di sintesi del legame peptidico nelle condizioni del pianeta primordiale. La presenza dello zolfo sotto forma di acido solfidrico è essenziale.

Fra l’altro si tratta ancora una volta di un processo ciclico! Che dunque entrerebbe senza problemi nel modello di Eigen.

Non so a voi ma a me queste scoperte riscaldano il cuore.

5 pensieri su “La chimica dell’origine della vita.

  1. Caro Claudio,

    ti segnalo che la presenza di glicina nelle nubi interstellari non è stata confermata.

    In questo lavoro, Snyder, L. E.; Lovas, F. J.; Hollis, J. M.; Friedel, D. N.; Jewell, P. R.; Remijan, A.; Ilyushin, V. V.; Alekseev, E. A.; Dyubko, S. F. A Rigorous Attempt to Verify Interstellar Glycine. ApJ 2005, 619, 914–930
    gli autori sostengono che le osservazioni del lavoro di Kuan et al citato nell’articolo del bolg non sono sufficienti a discriminare la presenza di glicina.

    In effetti nel database ufficiale delle molecole rilevate la glicina compare come non-rilevata http://www.astrochymist.org/astrochymist_nondetections.html.

  2. Mi riscaldavano il cuore molto di più tanti anni fa quando lessi il libro di Oparin e l’articolo di Urey su Le Scienze, ed ero più giovane e speranzoso. Adesso le diverse conferme che i cosiddetti “mattoni della vita” sono più facilmente disponibili di quanto si pensasse 40-50 anni fa non fanno che ingigantire l’evidenza che non possediamo neppure un barlume di ipotesi su come la materia non solo si autoorganizzi, ma abbia imparato a codificare e decodificare le informazioni su COME autoorganizzarsi e a “metterle in pratica” le stesse informazioni.
    La cosmologia ci insegna che per risolvere i misteri aperti della fisica, la conoscenza della storia dell’universo e di tutte le sue contingenze, ripetibili o meno, risulta sul lungo termine altrettanto importante dell’elaborazione delle teorie fisiche e degli esperimenti alle alte energie.
    Analogamente la contingenza della nascita della vita, e tutto ciò che è accaduto dopo (o forse sta accadendo in tanti altri luoghi) non può essere compresa senza tracce storico-evolutive a livello molecolare più chiare e più antiche di quelle che possediamo ora, né con soli esperimenti di laboratorio e teorie.
    D’altra parte, così come non abbiamo una teoria della gravità quantistica, non possediamo teorie di termodinamica statistica per parlare della spontaneità di eventi estremamente improbabili, per non dire unici, quali la materia che – storicamente e circostanzialmente – ad un certo punto e in qualche luogo inizia a scrivere su se stessa l’informazione. Non so se potremo mai concepire o “spiegare” ciò che rende “necessaria” una cosa così “teoleologica” se andremo avanti con le normali concezioni di tempo che utilizziamo solitamente per parlare di storia, entropia e termodinamica statistica. Principi antropici vari e teleologia (Deacon) non mi soddisfano affatto, fanno la rima con tautologia. Ma perlomeno, come cercava di spiegare Russell al reverendo Copleston, non comportano la necessità logica di ricercare un “ente non contingente” per tutto ciò che sembra essere contingente e ammettono che la scienza (chimica della complessità inclusa) possa andare ancora avanti ritenendo che il mondo fisico, materiale, possa contenere al suo interno tutto ciò che serve a renderlo coerente. La soluzione più semplice, quando sembra impossibile trovare la quadratura, la coesione, è ammettere principi o enti causativi esterni. La scienza, per vocazione o per deontologia, non ammette soluzioni facili di questo tipo e, piuttosto, inizia a sospettare che da qualche parte sia sbagliato il modo in cui “conosce”.

  3. La fortuna che hanno le ricerche sulla sintesi delle piu’ varie molecole organiche in certe condizioni mi sembra incomprensibile. Come mi sembra arbitrario e velleitario legare molecole come gli amminoacidi all’origine della vita.
    Non abbiamo oggi alcuna teoria credibile sull’origine della vita. La presenza di alcune molecole non e’ certo sufficiente. In qualsiasi carogna di animale ci sono tutti i componenti della vita: DNA, RNA, proteine, zuccheri, grassi, ormoni, etc. Eppure l’esperienza ci dice che questi componenti non si organizzano affatto, anzi si decompongono spontaneamente.
    Il fatto e’ che la vita non e’ data dai suoi componenti chimici. Consiste in informazione codificata e replicabile, e in un’organizzazione capace di sfruttare le risorse ambientali di materia ed energia. Non esiste un solo dato sperimentale che ci mostri come questo puo’ avvenire, se non ad opera di viventi gia’ esistenti.
    Se ci fosse stata un’evoluzione molecolare come quella che molti danno per scontata, ci aspetteremmo di trovare tracce di forme piu’ semplici, intermedie. Invece tali tracce mancano completamente.
    Tutti gli esseri viventi sono estremamente complessi e mostrano una somiglianza estrema fra di loro. Gli Archea, i batteri, le piante, noi, siamo tutti costruiti sullo stessa schema basato su DNA, RNA e proteine, con lo stesso codice genetico ed essenzialmente gli stessi meccanismi biochimici e riproduttivi.
    Non abbiamo idea di come tutto questo si sia formato. Le cosiddette teorie hanno, come unico dato sperimentale a sostegno, il fatto che la vita esiste.
    Se dobbiamo parlare di teorie senza appoggi sperimentali, ci possiamo sbizzarrire. Per esempio, la somiglianza fra tutti i viventi puo’ andare d’accordo con un’origine extraterrestre della vita, supponendo che un essere vivente sia caduto sulla Terra e abbia trovato modo di sfruttare risorse presenti per attivare i suoi meccanismi, gia’ presenti, di riproduzione. Naturalmente questo non ha alcuna base sperimentale, ma puo’ indicare come le ipotesi possano essere quasi infinite.

    • Cari Alfredo e Gustavo secondo me fareste bene a leggervi la pagina https://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis di wikipedia dove a parecchie delle vostre obiezioni si dà risposta; non a tutte, ma considerate che la fase abiogenetica si è ragionevolmente svolta fra 4.41 e 4.28 miliardi di anni fa, un periodo dunque lungo 130 (centotrenta) milioni di anni! la sua ricostruzione è in corso. Credo sia possibile aspettare qualche decennio o secolo per trovare dei modelli sperimentali completi e riproducibili del processo che comunque è stato certamente abbozzato con una certa precisione nelle sue linee essenziali; le condizioni termodinamiche e chimiche sono alquanto dettagliate e sono accettate dalla comunità scientifica che studia il fenomeno. Fenomeni come l’origine della vita o l’autocoscienza hanno dentro di se una componente culturale molto forte e dunque provocano opinioni forti e contrastanti, ma personamente credo sia possibile dopo tutto affrontarle correttamente a patto di avere mente aperta e un po’ di fiducia nella procedura denominata “metodo scientifico”. Entro qualche secolo ne sapremo di più. Spiace non poterci essere, ma la fiducia è incrollabile.

      • io sono fiducioso. Ma ribadisco la sensazione che la termodinamica che abbiamo oggi non sia adatta a “legiferare” qualcosa in cui possano rientrare situazioni altamente improbabili ed evoluzioni possibili da esse. L’ipotesi abiogenetica che mi convince di più è quella dei “viruses first”.

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