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Origine della vita sulla terra Scienze n tur li Prof. Vincenzo B rrile a a a  Origine della vita sulla terra Come h vuto origine l vit ? Materia inorganica e organica sottostanno alle medesime leggi dell...

Origine della vita sulla terra Scienze n tur li Prof. Vincenzo B rrile a a a  Origine della vita sulla terra Come h vuto origine l vit ? Materia inorganica e organica sottostanno alle medesime leggi della chimica: non ci sono regole speciali per la vita. All’inizio del Novecento questa convinzione comincia a emergere nella comunità scienti ca, ma c’era una spiegazione per la comparsa della vita nella storia della Terra. Negli ambienti universitari circolavano diverse versioni della teoria della panspermia, secondo la quale la vita sulla Terra sarebbe stata trasportata da altri pianeti con i mezzi più vari. Ma ciò non convinceva Aleksandr Oparin che lavorava all’Università Statale di Mosca. Secondo lui ci doveva essere una spiegazione che non prevedesse un deus ex machina creatore di tutti i viventi a a a a fi  Origine della vita sulla terra Che cos’è il «brodo primordi le»? Alcune nuove osservazioni di Giove fanno ipotizzare a Oparin come poteva essere l’atmosfera terrestre quando è comparsa la vita: poco ossigeno libero, abbondanza di idrogeno e le radiazioni solari e le scariche elettriche dell’atmosfera potevano fornire l’energia per innescare le reazioni. Oparin intuisce che negli specchi d’acqua si sarebbero accumulate grandi quantità di molecole complesse. All’aumentare del loro numero e della loro concentrazione in questo brodo primordiale, si sarebbero aggregate sempre più, no alla comparsa delle prime cellule. fi a  Origine della vita sulla terra Esiste una prova che dimostri la teoria di Oparin?» L’ipotesi del chimico russo ebbe poco credito tra i suoi contemporanei. Nel 1953, però, due ricercatori americani, Miller e Urey, costruiscono un piccolo ma complesso apparato sperimentale in cui simulare le condizioni della Terra ipotizzate da Oparin. Il loro esperimento dimostra che dal brodo primordiale si possono generare spontaneamente biomolecole e, in particolare, si possono generare gli amminoacidi, ov vero i componenti fondamentali di tutti gli organismi viventi.  L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA L’Universo ha avuto origine espandendosi da un singolo punto Si ritiene che l’Universo si sia originato circa 13,8 miliardi di anni fa tramite il Big Bang, In quel momento iniziale, tutta la materia, l'energia, lo spazio e il tempo erano compressi in un volume minuscolo. Poi, questa singolarità è "esplosa", espandendosi rapidamente. Questo processo di espansione ha creato lo spazio e il tempo che conosciamo oggi. Dopo l'inizio, l'universo si è ra reddato e la materia ha cominciato a formarsi, prima sotto forma di particelle elementari (come protoni ed elettroni) e poi di atomi. Il primo atomo fu l’idrogeno. Con il passare del tempo, questi atomi diedero vita alle stelle, ai corpi celesti e tutto ciò che possiamo vedere nell’Universo, compresi gli esseri viventi. ff  L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA Il Sistema solare si è formato da un ammasso di polveri e gas La materia presente nell’Universo non è distribuita in modo uniforme, ma si concentra in ammassi chiamati galassie, ciascuna formata da un numero enorme di stelle, attorno alle quali orbitano i pianeti. La galassia in cui si trova il nostro Sistema solare è chiamata Via Lattea, poiché nel cielo notturno appare come una fascia dall’aspetto lattiginoso. Questa galassia comprende diverse decine di miliardi di stelle tra cui il Sole, la stella a noi più vicina.  L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA Il Sistema solare si è formato da un ammasso di polveri e gas Come le altre stelle, il Sole è nato circa 5 miliardi di anni fa da un’enorme nube di polveri e idrogeno ed elio, chiamata nebulosa solare. Questo ammasso si condensò grazie agli atomi di idrogeno che venivano attirati verso il centro, dalla forza di gravità. Più la nebulosa diventava densa, più al suo interno gli atomi si muovevano rapidamente entrando in collisione tra loro. Con l’aumento della temperatura, le collisioni si fecero progressivamente più violente, nché gli atomi di idrogeno cominciarono a scontrarsi con tale forza da fondere i loro nuclei e liberando grandi quantità di energia. Queste reazioni di fusione termonucleare si svolgono costantemente all’interno del Sole e sono la fonte della sua energia. fi  L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA Il Sistema solare si è formato da un ammasso di polveri e gas Secondo le attuali teorie, i pianeti si formarono circa 4,6 miliardi di anni fa, sempre a partire da gas e polveri della nebulosa solare. Questi materiali, attratti dalla dal Sole, formarono un disco composto da vari anelli in rotazione intorno alla stella appena nata. All’inizio le particelle si ammassavano a caso, ma, via via questi agglomerati diventavano più voluminosi, dando così origine ai pianeti. Nell’orbita più vicina al Sole prese forma Mercurio, seguito in ordine di distanza da Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno, il pianeta più lontano.  L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA Il Sistema solare si è formato da un ammasso di polveri e gas La giovane Terra inizialmente era costituita da rocce fuse a causa della sua temperatura interna molto alta, poi cominciò a ra reddarsi a partire dalla super cie, formando così la crosta esterna. Le rocce più antiche di questo strato hanno un’età di circa 4,1 miliardi di anni. È probabile che, a quell’epoca, l’atmosfera fosse costituita principalmente da idrogeno ed elio. In seguito, i gas sprigionati dai vulcani formarono un secondo tipo di atmosfera, in cui l’idrogeno era combinato con altri elementi chimici. L’acqua che fuoriusciva dai geyser sotto forma di gas, inoltre, arricchì l’atmosfera di vapore acqueo. Al diminuire della temperatura, le nubi si condensarono in piogge torrenziali, che ricadendo al suolo formarono vasti oceani caldi, poco profondi, ma così estesi da ricoprire gran parte del pianeta. ff fi  L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA Le prime cellule si sono formate nei mari Si suppone che le molecole organiche si siano accumulate nei mari, combinandosi tra loro per formare sistemi chimici stabili che Oparin chiamò coacervati. A questo punto, all’evoluzione chimica avrebbe fatto seguito l’evoluzione prebiologica, durante la quale questi sistemi avrebbero iniziato a scambiare materia ed energia con l’ambiente. Secondo il biochimico statunitense Sidney W. Fox, durante i primi cento milioni di anni della Terra si formarono strutture, dette microsfere proteinoidi, ed al loro interno avvenivano reazioni chimiche simili a quelle delle cellule odierne. Queste strutture non erano vere cellule, essendo ancora prive del patrimonio genetico;  L’UNIVERSO E LA COMPARSA DELLA VITA Le prime cellule si sono formate nei mari In disaccordo con le ipotesi sull’origine della vita di Oparin e Fox, alcuni scienziati hanno ipotizzato che le forme di vita più semplici attualmente esistenti siano comunque troppo complesse per avere avuto origine sulla Terra; hanno quindi puntato l’attenzione verso lo spazio extraterrestre, dove probabilmente la vita è presente e potrebbe avere raggiunto il nostro pianeta trasportata casualmente da meteoriti. Oggi tutta la vita esistente sulla Terra si trova in una zona denominata biosfera, che comprende la super cie terrestre e si estende da circa 8-10 km sopra il livello del mare no alle profondità marine fi fi  LA STORIA DELLA VITA SULLA TERRA I fossili raccontano l’evoluzione dei viventi nel corso delle ere geologiche Le più antiche tracce fossili di cellule sono state rinvenute in Groenlandia e risalgono a 3,7 miliardi di anni fa, ossia circa 1 miliardo di anni dopo la formazione della Terra. Si tratta di stromatoliti, formazioni rocciose originate da organismi unicellulari simili a batteri e capaci di svolgere la fotosintesi. I primi esseri viventi appartenevano ai procarioti (organismi formati da cellule semplici e prive di nucleo) e comparvero durante il Precambriano. Fino alla comparsa degli eucarioti (organismi formati da cellule il cui DNA è racchiuso da una membrana) i procarioti sono stati l’unica forma di vita sul nostro pianeta; oggi i procarioti sono rappresentati dai batteri e dagli archeobatteri, che sono di usi in ogni angolo della biosfera. Dai primi eucarioti, invece, sono discesi tutti gli organismi pluricellulari. ff  LA STORIA DELLA VITA SULLA TERRA Nel Paleozoico si diversi ca la vita animale Di sicuro all’inizio dell’era paleozoica, (543 - 490 milioni di anni fa), erano già presenti diversi modelli di organismi. Le più antiche testimonianze di vita animale risalgono a questa era e provengono da reperti fossili trovati in Australia. Proprio in quel periodo, circa 543 milioni di anni fa, si veri cò uno degli eventi più importanti per la storia della vita sulla Terra, la cosiddetta esplosione cambriana, ovvero la comparsa, relativamente rapida, di tutte le specie dirette antenate delle odierne forme di vita. Da questo momento in poi, le conoscenze a disposizione sull’evoluzione della vita diventano molto più precise grazie all’elevato numero di reperti fossili che ci sono pervenuti. Sempre nell’era paleozoica si di stinguono diversi eventi che la caratterizzano, come il moltiplicarsi di forme di vita marina (tra cui i primi vertebrati) e la comparsa di un gran numero di piante terrestri; nell’era paleozoica è cominciata anche la colonizzazione delle terre emerse da parte degli an bi e sono apparsi i primi rettili. L’era paleozoica termina circa 250 milioni di anni fa con un avvenimento catastro co ancora oggi avvolto dal mistero. L’ipotesi più accreditata sulle cause scatenanti è un drastico e improvviso cambiamento climatico, dovuto forse a una glaciazione che abbassò il livello degli oceani, a colossali eruzioni vulcaniche in Siberia, con l’emissione in atmosfera di una quantità di ceneri così elevata da oscurare il Sole, oppure alla caduta di un grande meteorite nel territorio dell’attuale Cina. Di fatto, questo evento è considerato il più catastro co di tutta la storia del nostro pianeta e portò alla scomparsa dell’85-90% delle specie presenti, soprattutto di quelle marine fi fi fi fi fi  LA STORIA DELLA VITA SULLA TERRA Il Mesozoico è considerato l’era dei dinosauri L’era mesozoica, va da 245 a 65 milioni di anni fa e si ritiene che nel corso di questa era geologica il clima fosse piuttosto caldo e secco. Le terre emerse erano popolate soprattutto da gimnosperme e da rettili tra i quali i dinosauri erano il gruppo dominante. Questi animali erano di usi in tutti gli ambienti terrestri e marini con una grande varietà di specie di ogni forma e dimensione. In questo periodo cominciano a di ondersi anche piccoli mammiferi e i primi uccelli compaiono le piante con ori (angiosperme) e il supercontinente Pangea inizia a frammentarsi. Anche il Mesozoico termina con un’estinzione di massa, provocata probabilmente dalla caduta di un meteorite nella penisola dello Yucatán. In ogni caso, si veri cò un repentino cambiamento climatico, che spazzò via il 75% delle specie animali e vegetali. Finì anche l’era dei grandi dinosauri, che avevano dominato il pianeta per 150 milioni di anni; non tutti, però, si estinsero. Gli uccelli, che discendono da un gruppo di dinosauri piumati, popolano ancora il nostro pianeta. ff fi ff fi  LA STORIA DELLA VITA SULLA TERRA Nel Cenozoico si susseguono grandi glaciazioni L’era cenozoica comprende gli ultimi 65 milioni di anni e viene suddivisa non soltanto in periodi (Paleogene, Neogene e Quaternario), ma anche in epoche. Il Paleogene, infatti, comprende le epoche chiamate Paleocene, Eocene e Oligocene, fanno parte del Neogene le epoche Miocene, Pliocene, mentre il Quaternario comprende Pleistocene e Olocene, l’epoca attuale. Molti scienziati concordano nel collocare l’inizio di una nuova epoca, l’Antropocene, intorno al 1950 quando l’antropizzazione umana è iniziata ad essere molto evidente sul pianeta. Il clima nel Cenozoico è mediamente più freddo rispetto al Mesozoico. Le angiosperme, che continuano la coevoluzione con gli insetti, diventano le piante dominanti. Tra gli animali compaiono molte nuove forme di pesci, uccelli e si osserva una notevole diversi cazione della classe dei mammiferi. Tra questi gurano giganti come il mammut, il rinoceronte, il bradipo gigante, l’alce irlandese e l’orso delle caverne. Alla ne delle grandi glaciazioni del Pleistocene, però, questa megafauna era quasi del tutto estinta, probabilmente anche a causa dei cambiamenti climatici, ma soprattutto per la caccia accanita da parte di un nuovo temibile predatore, L’Homo sapiens. fi fi fi  LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI Le cellule sono le unità fondamentali degli esseri viventi Analizzando la complessità della materia vivente, mettiamo al livello più basso di questa ipotetica scala gli atomi; al secondo posto avremmo le molecole, ossia l’aggregazione di due o più atomi, come per esempio la molecola dell’acqua (H2O = 2 atomi di idrogeno e 1 di ossigeno) o una molecola organica fondamentale per gli organismi viventi come il glucosio (C6H12O6 = 6 atomi di carbonio, 12 di idrogeno e 6 di ossigeno). Le molecole possono interagire tra loro per dare origine a strutture complesse e straordinariamente organizzate, le cellule. La cellula è l’unità di base degli esseri viventi, dal momento che tutti gli organismi sono formati da una o più cellule. Le caratteristiche generali che contraddistinguono una cellula da altri sistemi chimici sono: l’esistenza di una membrana, e, spesso, anche di una parete cellulare che separa la cellula dall’ambiente circostante e le permette di mante- nere una propria identità chimica; la presenza di enzimi, complesse molecole essenziali per lo svolgimento delle reazioni chimiche da cui dipende la vita; la capacità di duplicarsi e di trasmettere le informazioni genetiche ereditarie alle cellule glie; la possibilità di trasformarsi nel tempo, per esem-pio durante i processi di invecchiamento, ma anche per l’accumulo di mutazioni che possono portare a cambiamenti evolutivi oppure all’insorgenza di malattie. fi  LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI Tutte le cellule possiedono una membrana esterna e materiale ereditario Come abbiamo visto, i procarioti hanno preceduto gli eucarioti nella storia della vita sulla Terra. Ma quali caratteristiche li accomunano e quali li distinguono? Per cominciare, i loro nomi derivano dai due tipi principali di cellule che possiedono, le cellule procariote e quelle eucariote, che hanno in comune due caratteristiche fondamentali: una membrana esterna, detta membrana cellulare, che separa la cellula dall’ambiente esterno, e il materiale genetico (l’informazione ereditaria), che dirige le attività della cellula e le consente di riprodursi, trasmettendo i propri caratteri ereditari ai discendenti. Una di erenza evidente fra questi due modelli di cellule è la loro dimensione: le eucariote sono più grandi (10-100 µm) delle procariote (1-10 µm) e in genere sono anche molto più complesse. Contengono infatti un nucleo che racchiude il materiale genetico e un gran numero di strutture circondate da membrana (organuli) che le cellule procariote non possiedono. ff  LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI Le cellule ottengono energia in diversi modi Un’altra caratteristica fondamentale che contraddistingue le cellule degli esseri viventi è il modo in cui soddisfano le loro esigenze energetiche. Gli organismi che dipendono da fonti esterne di molecole organiche sono chiamati eterotro (dal greco etero che signi ca «altro», e trophé, «nutrirsi»). Tutti gli animali e i funghi, così come molti organismi unicellulari, sono eterotro. Sono detti autotro , invece, gli organismi «che si nutrono da soli», cioè che non hanno bisogno di molecole organiche provenienti da fonti esterne per ottenere energia e materiali da costruzione; questi organismi, infatti, sono in grado di sintetizzare, ossia produrre, le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche semplici. Molti autotro , tra cui le piante e numerosi tipi di organismi unicellulari, sono fotosintetici. Alcuni semplici organismi unicellulari sono invece chemiosintetici (batteri), cioè catturano l’energia liberata da particolari reazioni inorganiche per attivare i loro processi vitali, tra cui la sintesi delle molecole organiche complesse. fi f fi f fi  LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI La genesi della teoria cellulare Nel 1665, lo scienziato inglese Robert Hooke, utilizzando un microscopio di sua invenzione, notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò queste cavità «celle», cioè «piccole stanze». Il termine «cellula» ha assunto il signi cato di unità di base della materia vivente quasi due secoli dopo la scoperta di Hooke. Nel 1858, l’anatomopatologo tedesco Rudolf Virchow a ermò che le cellule possono essere originate soltanto da altre cellule preesistenti: «Quando una cellula esiste, ci deve essere stata una cellula preesistente, proprio come un animale si origina solo da un animale e una pianta si origina solo da una pianta». Secondo l’attuale formulazione, la teoria cellulare condivisa dal mondo scienti co stabilisce che: 1. tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule che hanno una struttura simile, possiedono membrane interne ed esterne, materiale genetico formato da DNA, organuli con funzioni speci che e un liquido gelatinoso che tiene in sospensione tutti questi materiali; 2. le reazioni chimiche di un organismo, compresi i meccanismi di liberazione dell’energia e le reazioni di biosintesi di molecole organiche complesse, hanno luogo all’interno delle cellule; 3. le cellule si possono originare soltanto da altre cellule; 4. le cellule custodiscono le informazioni ereditarie degli organismi cui appartengono, e queste vengono trasmesse dalla cellula madre alla cellula glia; fi fi ff fi fi  LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI I principali tipi di microscopi La maggior parte delle conoscenze attuali sulla struttura cellulare è basata sull’utilizzo di tre diversi tipi di microscopi. Il microscopio ottico permette di osservare sottili strati semitrasparenti di preparati che siano attraversabili dalla luce. L’immagine viene ingrandita grazie a una serie di lenti: l’oculare, il tubo attraverso cui si e ettua l’osservazione, e uno o più obiettivi intercambiabili. L’ingrandimento totale si ottiene moltiplicando l’ingrandimento dell’oculare (di solito 10×) per quello dell’obiettivo (di solito 4×, 25×, 40×, 100×). I più potenti microscopi ottici raggiungono facilmente un ingrandimento massimo di 1000 volte e hanno un potere di risoluzione di 0,2 µm, migliorando così la visione a occhio nudo di circa 500 volte. Particolarmente adatto all’osservazione delle strutture biologiche è il microscopio a raggi X, ha una risoluzione intermedia tra quella del microscopio ottico e quella dei microscopi elettronici (nei modelli più so sticati no a 15 nanometri; 1nm è pari a 10-6 mm). fi fi ff  LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI I principali tipi di microscopi Con il microscopio elettronico a trasmissione, o TEM, il potere di risoluzione aumenta di circa 1000 volte rispetto a quello del microscopio ottico. Ciò è possibile grazie a un’illuminazione con lunghezza d’onda molto più corta, costituita da fasci di elettroni invece che di fotoni. Le aree del campione in esame che permettono la trasmissione di elettroni. Oggi i microscopi elettronici a trasmissione o rono un potere di risoluzione di circa approssimativamente 500 000 volte maggiore di quello dell’occhio umano. Sebbene il potere di risoluzione del microscopio elettronico a scansione, o SEM, sia soltanto di 10 nm, questo strumento è diventato un mezzo d’indagine insostituibile per i biologi In questo microscopio gli elettroni non attraversano il campione, ma sono ri essi dalla sua super cie, precedentemente ricoperta da una sottilissima lamina metallica, fornendo così un’immagine molto dettagliata, ma soltanto del suo aspetto esterno. ff fi fl  LA CELLULA È L’UNITÀ DI BASE DI TUTTI I VIVENTI I principali tipi di microscopi Il microscopio a forza atomica (AFM), in ne, ha una risoluzione inferiore al nanometro. Fornisce un’immagine topogra ca tridimensionale del campione (per esempio macromolecole biologiche o parti di microrganismi) e rispetto al SEM ha il vantaggio di consentire analisi non distruttive su campioni non trattati. fi fi