1. L’origine della vita
e l’esperimento di Miller
I.C. San Bernardino, Siena
3D 2014/15
Lorenzo Cembalo-Alessandro Marmi-Tola
Petrioli- Duccio Taddei
IL SARAGIO
2. Il Sole e i pianeti che lo circondano si formarono circa 5
miliardi di anni fa dopo l’esplosione di una supernova che
aveva generato al suo interno elementi pesanti a partire
dall’idrogeno e dall’elio.
La Terra era un’enorme 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
3. GLI ELEMENTI LEGGERI
In seguito la Terra diventò fredda e i gas più leggeri in parte
reagirono con gli elementi più pesanti e in parte si
dispersero nello spazio. L’elio si disperse quasi tutto perché
è leggero e poco reattivo con altri composti, mentre una
parte dell’idrogeno reagì con altri elementi formando
composti idrogenati come il metano, l’ammoniaca, l’acido
solfidrico e l’acqua .
4. GLI ELEMENTI PESANTI
Gli elementi più 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 più 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 dall’interno della Terra e che formarono quella
che viene considerata l’atmosfera primordiale.
5. 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
possibilità di trasformarsi in sostanze più complesse.
Queste sostanze organiche sai sciolsero nel mare e
reagirono tra di loro e con i sali inorganici.
6. IL BRODO PRIMORDIALE
L’accumulo delle sostanze organiche era notevole poiché
non esistevano né microrganismi decompositori né
ossigeno che avrebbero potuto modificarle. Così si formò
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 più complesse,
formando i cosiddetti “polimeri”.
7. JOHN HALDANE
Il biologo inglese John Burdon Sanderson Haldane (1892-
1964) all’incirca intorno al 1920, dopo aver considerato che
la Terra all’origine aveva caratteristiche molto diverse
rispetto ad oggi, iniziò a trarre alcune conclusioni. All’inizio
sulla Terra primitiva non si trovava la vita come invece c’è
ora.
8. 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 più
complessa.
9. 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 l’atmosfera
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 partirà proprio da questo ultimo
presupposto.
10. I CONTRASTI CON LA CHIESA
Oparin e Haldane affrontarono l’argomentoa 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.
11. 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 è dimostrato
sperimentalmente che le combinazioni possibili delle
molecole più semplici sono legate da leggi fisiche e
chimiche e quindi sono limitate e non casuali.
12. STANLEY MILLER
Stanley Lloyd Miller 7 marzo 1930 – 20 maggio 2007) è
stato un biochimico statunitense. È noto per i suoi studi nel
campo dell'origine della vita, e in modo particolare per l'
esperimento di Miller-Urey che dimostrò che dei
composti organici possono essere creati da processi fisici
abbastanza semplici a partire da sostanze inorganiche. Per
svolgere l'esperimento, Miller ricreò le condizioni ambientali
che si supponeva esistessero al tempo della Terra
primordiale.
13. L’ESPERIMENTO DI MILLER-UREY
Nel 1952 il professore americano
Harold Clayton Urey, incaricò un
giovane ricercatore, Stanley Lloyd
Miller, di eseguire un esperimento.
All’interno di una boccia di vetro,
Miller mise dell’acqua mantenuta ad
alta temperatura e in un’altra boccia
una miscela di idrogeno , ammoniaca
e metano, cioè tutti quei gas che
insieme al vapore acqueo si pensava
potessero costituire l’atmosfera
primordiale.
14. LO SVOLGIMENTO DELL’ESPERIMENTO
L’acqua calda, che avrebbe dovuto rappresentare secondo
gli scienziati l’oceano primitivo, creava vapore che
passando attraverso un tubo arrivava al recipiente che
conteneva la miscela di gas. All’interno di quest’ultimo
contenitore venivano generate scariche elettriche a 60.000
volt che dovevano riprodurre fenomeni temporaleschi.
15. I RISULTATI
L’esperimento durò una settimana, alla fine della quale
si osservò con grosso stupore che nel recipiente
dell’acqua si trovava un liquido rosso-arancio che
conteneva molti composti, ma in particolare alcuni
aminoacidi, cioè i precursori delle proteine che sono i
componenti principali di ogni essere vivente.
16. L’IPOTESI OTTENUTA
L’esperimento di Miller dimostrò che da composti
semplici, che si pensava fossero presenti
nell’atmosfera primordiale, si potevano formare
molecole complesse, quelle appunto che si trovano nei
composti organici di tutti gli organismi viventi. Si
ipotizzò quindi che in un’atmosfera 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.
17. 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.
18. 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
dell’antichissima terra hanno mostrato il
ruolo centrale dei campi elettrici presenti
nell’ambiente.Lo studio è 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.
19. JOAN ORO’
Nel 1961, in un esperimento con
una soluzione acquosa di
ammoniaca e acido cianidrico,
Joan Orò dimostrò 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.
20. L’IPOTESI 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 l’irradiazione UV, l’energia
termica delle fonti idrotermali marine le radiazioni di
fondo pianeta e perfino le onde d’urto generate dagli
impatti dei meteoriti.
21. 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 così le prime cellule procariote,
prive di nucleo ed eterotrofe incapaci cioè di fabbricare
autonomamente il propio nutrimento e simili nella
struttura ad alcuni attuali batteri.
22. L’EFFETTO DEI RAGGI ULTRAVIOLETTI
I primi unicellulari potevano vivere soltanto protetti
dalle acque perchè, mancando l’ossigeno atmosferico,
non esisteva ancora lo strato di ozono che impediva ai
raggi ultravioletti più aggressivi di andare sulla terra.
Quando il nutrimento nell’acqua iniziò 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 cioè le cellule autotrofe.
23. LA COMPARSA DELLA FOTOSINTESI
Le cellule autotrife, simili alle attuali alghe
azzurre si diffusero e cominciarono a
immettere nella atmosfera grandi quantità di
ossigeno: lo scarto del loro nutrimento, le
cellule autotrofe così facendo misero in
pratica la prima fotosintesi.
24. L’OSSIGENO NELL’ATMOSFERA
Fu propio la nuova presenza di ossigeno
nell’atmosfera la causa di un’altra importante tappa
evolutiva, grazie all’effetto della fotosintesi i batteri per
i quali l’ossigeno 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.
25. LE CELLULE EUCARIOTE
Da 1,5 a 0,8 miliardi di anni fa
avvenne un’ulteriore e
importante tappa evolutiva:
comparvero le prime cellule
eucariote, dotate cioè 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.
26. COMPAIONO I PLURICELLULARI
La fase successiva dell’evoluzione 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 più evolute.
Questi esseri avevano enormi vantaggi: vita più lunga,
molti discendenti, sono più efficienti perchè cellule di
tipo diverso sono specializzate per funzioni diverse.
27. LA VITA SULLA TERRAFERMA
Nel frattempo l’ossigeno prodotto dalla fotosintesi
formò attorno alla terra unostrato di ozono che ridusse
notevolmente l’aione nociva del sole.
Quando alcune alghe spinte dalla carenza d’acqua si
adattarono a vivere sulla terraferma trovarono un
ambiente ospitale e si diffusero rapidamente. Molto
tempo dopo anche gli animali uscirono dall’acqua e si
adattarono a vivere nell ambiente terrestre
difersificandosi in forme sempre più complesse.
