Sintesi prebiotiche

In questa pagina risponderemo alle domande poste all'inizio della sezione: dove, quando, come, iniziando con la prima tappa dell'origine della vita, cioè le sintesi prebiotiche, intendendo con esse i processi abiotici che hanno dato origine alle biomolecole primordiali di base.

 

Condizioni iniziali

Partiamo dal presupposto che la vita abbia avuto origine sulla Terra e, dalle testimonianze fossili (stromatoliti), almeno 3,8 miliardi di anni fa. Questo implica che ci siano state le condizioni adatte all'evoluzione chimica:

  • una crosta solida,
  • un'atmosfera riducente,
  • acqua allo stato liquido,
  • fonti di energia.

 

Innanzitutto occorre la presenza di una crosta solida. Si stima che la Terra abbia circa 4,54 miliardi di anni, ma nessuna roccia attualmente affiorante ha quest'età. Le rocce più antiche sono state trovate in Australia occidentale, datate 4,374 miliardi di anni in base ai granelli di zircone rinvenuti in una roccia sedimentaria. Una roccia del Canada, la più antica trovata finora intera, si calcola abbia 4,28 miliardi di anni.
La crosta si è perciò formata abbastanza precocemente, circa 160 milioni di anni dopo la formazione del pianeta.

 

Dopo la sua formazione mediante un processo di accrezione di materiale della nebulosa originaria, la Terra ha iniziato a raffreddarsi in modo continuo e abbastanza rapido. La prima atmosfera conteneva principalmente idrogeno ma, essendo molto leggero, nell'arco di 200 milioni di anni sfuggì nello spazio. Gli altri componenti, insieme ai prodotti dell'attività vulcanica, assai maggiore rispetto a quella attuale, formarono una nuova atmosfera, composta da monossido di carbonio (CO), biossido di carbonio (CO2), azoto (N2), metano (CH4), ammoniaca (NH3), acido solfidrico (H2S) e vapore acqueo (H2O).
L'ossigeno libero era assente e solo tra 2,4 e 2,2 miliardi di anni fa ci fu la Grande Ossidazione che portò il contenuto di ossigeno al 2%, per questo l'atmosfera era riducente.

 

Quando la temperatura della superficie terrestre scese sotto la temperatura critica dell'acqua (374,1 °C), il vapore iniziò a condensare, formando piogge torrenziali che riempirono le depressioni superficiali fino a formare i primi oceani, che erano caldi a causa della temperatura della crosta e ricchi di ioni e anidride carbonica provenienti dall'atmosfera.

 

Le fonti energetiche non mancavano. C'era il calore terrestre liberato dal decadimento radioattivo, dagli impatti meteorici e dai vulcani. Le scariche elettriche fornivano una discreta quantità di energia, i raggi cosmici e in particolare i raggi ultravioletti, che avevano un'intensità maggiore rispetto all'attuale, davano il loro contributo soprattutto tenendo presente che, mancando l'ossigeno, non ci doveva esser nemmeno l'ozono che li avrebbe bloccati. Anche le onde che si infrangevano sulle coste davano un po' di energia.

 

Terra primordiale

Visto quando (almeno 3,8 miliardi di anni fa) e dove (presumibilmente sulla Terra, se non si accoglie la teoria della panspermia) affrontiamo ora come ha avuto origine la vita.

 

Sintesi prebiotiche

Nel 1924 il biochimico russo Aleksandr Ivanovič Oparin (1894 - 1980) pubblicò il libro Proiskhozhdenie zhizny (L'Origine della Vita), tradotto in inglese solo nel 1937.
In esso formulava una teoria secondo cui l'atmosfera primordiale doveva essere molto diversa dall'attuale: era riducente e totalmente priva di ossigeno. In questo ambiente, con le scariche dei fulmini, la luce solare e il calore proveniente dai vulcani e dal decadimento radioattivo e soprattutto i raggi ultravioletti non schermati dall'ozono, si formavano spontaneamente le sostanze organiche indispensabili alla vita, che non venivano immediatamente degradate perché non c'era ossigeno. Le sostanze prodotte finivano nell'acqua, dove continuava l'evoluzione chimica, che vedremo nella pagina successiva.

 

HaldaneIn modo indipendente e all'insaputa di Oparin, il biologo e genetista inglese John Burdon Sanderson Haldane (1892 - 1964) aveva formulato già dal 1922 un'ipotesi simile e arrivò alle conclusioni cinque anni dopo, nel 1929.
Secondo questo scienziato, le molecole che man mano si formavano, andavano ad accumularsi in acqua, costituendo quella che definì "minestra", il brodo primordiale: «Quando la luce ultravioletta agisce su una miscela di acqua, anidride carbonica e ammoniaca, viene prodotta una grande varietà di sostanze organiche, inclusi gli zuccheri e apparentemente alcuni dei materiali da cui si formano le proteine. [...] prima dell'origine della vita devono essersi accumulati fino a quando gli oceani primitivi hanno raggiunto la consistenza di una zuppa calda e diluita» (L'origine della vita - 1954).

 

Si stava riformulando il problema della generazione spontanea ma in termini suscettibili di verifica sperimentale e ciò però avvenne solo nel 1953.

 

L'esperimento di Miller - Urey

S. MillerNel 1953 il dottorando (stava conseguendo il Ph.D. in chimica) Stanley Lloyd Miller (1930 - 2007), allievo del chimico americano e premio nobel Harold Clayton Urey (1893 - 1981), sperimentò per la sua tesi quanto aveva ipotizzato l'anno precedente il suo docente e cioè che in un'atmosfera primordiale l'azione dei raggi ultravioletti non schermati dall'ozono avrebbe avviato reazioni chimiche fino a produrre amminoacidi e nucleotidi.

 

Stanley Miller

 

Miller costruì un apparecchio costituito da una boccia contenente acqua continuamente riscaldata, che simulava l'oceano primordiale. Questa era collegata a un'altra boccia, contenente una miscela gassosa di CH4, NH3, H2, insieme al vapore acqueo (H2O) proveniente dalla boccia precedente, che veniva fatto circolare in modo da venire continuamente in contatto con gli elettrodi in tungsteno. Questa miscela, che rappresentava l'atmosfera primordiale, era sottoposta a continue e forti scariche elettriche (60.000 volt), simulanti i fulmini. Il vapore veniva fatto condensare in forma di "pioggia" e il liquido ritornava al primo pallone. La componente volatile rientrava in circolo mentre la parte solida si accumulava nella prima boccia. Dopo una settimana si osservò l'arrossamento dell'acqua per la presenza di composti organici in quantità apprezzabile, compresi gli amminoacidi alanina, glicina, acido glutammico, acido aspartico, insieme ad acido formico, acetico, propionico, lattico, come già previsto da Oparin e Haldane.

 

esperimento di Miller

 

L'esperimento di Miller presenta due punti critici: non è detto che l'atmosfera primordiale avesse quella composizione e la temperatura è troppo alta, ma fu scelta l'ebollizione per accelerare la velocità delle reazioni.
Miller allora ripeté l'esperimento con CO, CO2, H2 e ottenne comunque materiale organico.
Nel 1958 aggiunse alla miscela anche acido solfidrico (H2S) e i campioni, i cui risultati non furono mai pubblicati, furono esaminati nel 2008 con tecniche molto sensibili dal ricercatore Jeffrey L. Bada (1942), ex studente di Miller, il quale scoprì la presenza di cisteina e metionina, amminoacidi contenenti zolfo.

 

Altri scienziati ripeterono l'esperienza variando la composizione della miscela gassosa e la fonte energetica e si ottennero sempre composti organici purché la miscela fosse riducente.
Ad esempio, nel 1961 il biochimico spagnolo Joan Oró i Florensa (1923 - 2004), usando una soluzione acquosa di acido cianidrico - che veniva prodotto nell'atmosfera riducente -, ammoniaca e formaldeide, ottenne diversi amminoacidi e una grande quantità di adenina, componente degli acidi nucleici e dell'ATP, con il semplice riscaldamento.

 

Ci sono ancora alcuni punti non ancora risolti in questi processi di sintesi.
Alcuni dei composti prodotti dagli esperimenti non sono presenti negli organismi viventi, inoltre, si ottengono miscele racemiche mentre sono presenti nei viventi solo L-amminoacidi e D-zuccheri (nel disegno sotto due enantiomeri di un amminoacido), le catene di acidi grassi ottenute sono brevi, la concentrazione dei prodotti è bassa e le reazioni di condensazione sono sfavorite in ambiente acquoso.
Alcuni, poi, ritengono che il carattere riducente dell'atmosfera sia andato perduto molto precocemente e che ci fosse in prevalenza CO2.

 

molecole chirali

 

In ogni caso, con questi esperimenti si è dimostrato che era possibile ottenere composti organici semplici: amminoacidi, ribosio e desossiribosio da sostanze inorganiche (una miscela riducente di gas contenente carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto) in assenza di ossigeno e con un'adeguata fonte energetica, soprattutto radiazione ultravioletta e fulmini che liberano fosforo. Ciò è confermato anche dalla quantità di composti organici presenti nella polvere interstellare.

 

Altre possibili sintesi prebiotiche

camini vulcanici sottomariniPer ovviare alle problematiche citate sopra, sono state formulate altre ipotesi sull'origine dei composti organici.
Dell'origine extraterrestre abbiamo già parlato in precedenza, ma si fa strada anche l'ipotesi che le sostanze organiche si siano formate nei pressi dei camini vulcanici sottomarini. Essi, infatti, liberano una grande quantità di fluidi molto caldi e ricchi di gas, tra cui metano (CH4) e solfuro di idrogeno (H2S). Il problema di questa sintesi è che l'elevata temperatura degrada gli amminoacidi in breve tempo.

 

L'avvocato e biochimico Günter Wächtershäuser (1938) negli anni ottanta ha formulato l'ipotesi che le complesse reazioni biochimiche siano avvenute sulla superficie di piriti ferrose (FeS2) poste vicino alle sorgenti idrotermali e quindi in ambiente anaerobico ad alta temperatura e alta pressione: teoria del Mondo a ferro e zolfo (ci ritorneremo nella pagina successiva).
Diversi autori, infatti, ritengono che l'atmosfera primitiva non contenesse NH3 e CH4, ma CO2 e H2S, molecole abbondanti nei pressi dei camini vulcanici.

Nel 2002 William F. Martin (1957) e Michael John Russell modificarono il modello ipotizzando che le reazioni avvenissero all'interno di vulcani sottomarini in microcaverne di solfuri metallici, secondo lo schema del disegno sottostante.

 

formazione dei composti vicino nei camini