1B MED mer 8 ottobre.. - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Biologia, orario settimanale:
(aula T)
Lunedì, ore 11-13
Mercoledì, ore 11-13
Giovedì, ore 9-11
Variazioni orario settimanale:
• venerdì 17 ottobre (11-13)
• venerdì 24 ottobre (11-13)
• giovedì 30 ottobre 9-11 (resta Biologia)
• venerdì 31 ottobre (9-11) (lunedì 27 ottobre Genetica)
• lunedì 3 novembre (9-11) (giovedì 6 novembre Fisica)
Note:
1. ultima lezione Biologia mercoledì 3 dicembre 2014, (11-13)
2. Lezione riassuntiva giovedì 11 dicembre 2014, ore 14-18,
aula D
3. Valutazione in itinere (facoltativa), a piccoli gruppi, giovedì
8 gennaio 2015, ore 14-18, aula D
Cusano, Huygens, Kant ed anche Gauss
anche se senza nessuna prova credevano che
esistessero altri mondi abitati
Schiaparelli e i canali di Marte
Flammarion su Marte ha scritto “Che questo Pianeta vicino sia
effettivamente sede della vita è ciò che testimoniano tutte le
osservazioni. Ma ci è ancora impossibile formarci qualche idea
sulla forma che questa vita ha potuto rivestire”.
QUALI SONO I CORPI PIU’ PROMETTENTI VICINI A NOI?
PROBABILMENTE VENERE, MARTE, EUROPA, TITANO, ENCELADO
La superficie di Venere ha un
aspetto molto simile a quella
della Terra, ma la temperatura
superficiale è di circa 470°C e la
pressione è di circa 90 atm
Foto del transito di Venere sul
Sole nel giorno 8/6/2004.
Appare ben visibile una
atmosfera molto densa
2/2/2005 Mars Express Foto
di Cratere (diametro 35 km,
profondo 2 km) contenente
ghiaccio
Meteorite
ALH84001
Marte: troppo piccolo per trattenere in modo
stabile una atmosfera come la nostra.
Evidenze della presenza di acqua
nel lontanissimo passato. Se anche si fosse
sviluppataaqualche forma di vita non
sembra essere sopravvissuta, almeno sulla
superficie
Galileo Galilei, all’inizio del 1600, ha scoperto 4 satelliti
attorno al Pianeta Giove
Io
Europa Ganimede Callisto
Europa, Ganimede e Callisto, sembrano avere un
oceano sotto la loro superficie di ghiaccio (missioni
Voyager e Galileo)
Nell’aprile 2012 è stato approvato il
progetto JUICE per esplorare i satelliti
ghiacciati di Giove nel 2029
Encelado, uno dei satelliti di Saturno
ha una superficie coperta di ghiaccio
Lago Vostok in Antartide
A 3,74 Km di profondità sotto i ghiacci
antartici esiste un lago di 14000 km2
L’elevata pressione prodotta dal ghiaccio
sovrastante mantiene l’acqua liquida.
Nel ghiaccio sono state scoperte diverse
forme di vita
Dic 2013
Gli alieni potrebbero
essere esistiti durante
l’infanzia dell’Universo
Vari studi suggeriscono
che l’acqua liquida, il
prerequisito perchè si
possa sviluppare la vita,
potrebbe essersi
formata nei pianeti
rocciosi appena 15
milioni di anni dopo il
Big Bang.
Siamo certi
dell’esistenza
della vita solo
sul Pianeta
Terra, tutto il
resto sono
solo plausibili
… speculazioni
Universo: antico di oltre 10 miliardi di anni
Pianeta Terra: esiste da circa 4,5 miliardi di anni
Vita sulla Terra: tracce fossili
•Il più antico minerale ~ 4,4
miliardi di anni
•Le più antiche rocce ~ 4,4
miliardi di anni
•I più antichi fossili ~ 4 miliardi
di anni
–protocellule?
•I più antichi eucarioti (cellule
nucleate) ~2 miliardi di anni
–coincidenza con l’aumento di
ossigeno atmosferico
•I più antichi organismi
multicellulari ~ 550 milioni di
anni
•I primi ominidi ~ 5 milioni di
anni
Fossil stromatolites, W. Australia
Shark Bay
1997 - Evidence for life on earth more than 3850 million years ago - Science. 1997 Jan 3;275(5296):38-9 - Holland HD.
L'interpretazione più ragionevole dei dati è sicuramente quella avanzata dagli autori: la vita esisteva sulla Terra più di 3.850
milioni anni fa ...
2002 - Questioning the evidence for Earth's oldest fossils - Brasier et al. – Nature, 416, 76-81, 2002
I microfossili procariotici straordinariamente conservati da 3.465 milioni di anni che sono stati rinvenuti nel basalto Apex
del Gruppo Warrawoona in Australia occidentale, forniscono l'evidenza morfologica più antica dell’esistenza di vita sulla
Terra … Sono stati individuate undici specie di procarioti filamentosi, che si distinguono per forma e geometria, e che
soddisfano i criteri richiesti per essere dichiarati autentici microfossili dell’Archaean...
2006 - Stromatolite reef from the Early Archaean era of Australia - Allwood AC - Nature. 2006 Jun 8;441(7094):714-8
La Strelley Pool Chert a Pilbara Craton, Australia) è una formazione di roccia sedimentaria vecchia quasi 3.5 miliardi di
anni, che contiene strutture laminate di probabile origine biologica (stromatoliti).… le diversità, complessità ed
associazioni ambientali degli stromatoliti descrivono modelli che - in contesti simili in tutta la storia della Terra - riflettono la
presenza di organismi...
2007 - Fossil evidence of Archaean life - Schopf et al. - Precambrian Research 158, 141–155, 2007
In questo lavoro … riportando i dati da 48 depositi Archeani segnalati per la presenza di stromatoliti
biogeni; in almeno 14 di tali unità sono contenuti 40 morfotipi di microfossili descritti. Tali dati, insieme
alla presenza di microfossili in altri stromatoliti, indicano che l'antichità della vita sulla Terra si estende
ad almeno 3.500 milioni di anni di anni fa ...
2011 - Fossil Cells Are World’s Oldest - Science, News, vol. 333, pag.1077, 26 august 2011
Alcuni scienziati affermano di aver trovato le cellule fossili più vecchie
del
mondo, antiche 3,4 miliardi di anni … Questo lavoro fornisce una
possibile prova sull’esistenza di una primitiva forma vita sulla Terra …
La vita sembra essersi originata molto presto
Il percorso compiuto per arrivare ad una vera cellula,
prima ad RNA e poi a DNA, non potrà mai essere
veramente conosciuto
Per oltre l’80% del tempo sembra siano esistiti solo
organismi procarioti unicellulari
Esseri intelligenti sono comparsi solo nell’ultimo
0,001% del tempo
•
Terra: sistema chimico con atomi molto spesso organizzati in molecole
•
La composizione chimica del vivente è qualitativamente diversa rispetto a quella
dell'ambiente che lo circonda
Legame sigma (s)
sovrapposizione diretta
Legame pi greco (p)
sovrapposizione laterale
H
H
C
H
C
H
s
p
ibridi
..
-d
O
H
+d
H2O
..
H
+
H
OH
-
Potenti
scariche
elettriche,
intensa
radiazione
ultravioletta,
pioggia di
raggi cosmici
L’apparecchiatura di Miller
(H2O, H2, CH4, CO2, CO, NH3)
presenti nell’atmosfera
conteneva
che si
molecole
riteneva fossero
primitiva della Terra
•E’ avvenuta l’attesa sintesi
abiotica di biomolecole
•Si sono formati amminoacidi in
numero non molto superiore a 20
•Si possono formare zuccheri e lipidi
•Si possono formate le basi puriniche e pirimidiniche presenti negli acidi
nucleici DNA e RNA
metano, acqua, azoto
RCHO + NH3
- H2O
scariche elettriche
RCHNH
immina
acido cianidrico
aldeide formica
HCN
amminonitrile
+ H2O
+ H2O
- NH3
amminoacido
Enantiomeric excesses in meteoritic amino acids - Science. 1997 Feb 14;275(5302):951-5 - Cronin JR, Pizzarello S.
Amino acids from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogues - Nature. 2002 Mar 28;416(6879):403-6 - Muñoz Caro
et al.
The evolution of organic matter in space - Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2011 Feb 13;369(1936):538-54. doi:
10.1098/rsta.2010.0231 - Ehrenfreund P, Spaans M and Holm NG.
Synthesis and Chirality of Amino Acids Under Interstellar Conditions - Top Curr Chem. 2012 Sep 14. [Epub ahead of print]
- Giri C, Goesmann F, Meinert C, Evans AC and Meierhenrich UJ.
Chirality, photochemistry and the detection of amino acids in interstellar ice analogues and comets - Chem Soc Rev.
2012 Aug 21;41(16):5447-58. doi: 10.1039/c2cs35051c - Evans AC, Meinert C, Giri C, Goesmann F and Meierhenrich UJ.
Presenza di amminoacidi e molecole organiche nelle Nebulose interstellari
La scoperta di parecchi grandi Pianeti al di fuori del Sistema Solare suggerisce che
la presenza di Pianeti sia un fatto piuttosto
Comune:
ci sono Pianeti simili al nostro?
ci sono Pianeti con forme di vita?
Force of nature gave life its asymmetry
'Left-handed' electrons destroy certain organic
molecules faster than their mirror versions
Elizabeth Gibney, 25 September 2014, Nature
Le asimmetrie delle biomolecole possono essere causate dall’interazione con elettroni
derivanti dal decadimento nucleare nei primi giorni dell’evoluzione.
E’ stato dimostrato che questi elettroni tendono a distruggere certe molecole organiche chirali
meglio delle altre che sono la loro immagine speculare (Dreiling, J. M. & Gay, T. J. Phys. Rev.
Lett. 113, 118103 (2014)).
La vita tende ad usare sempre e solo una delle possibili versioni chirali, ma la ragione di tale
preferenza è rimasta a lungo un mistero.
Many scientists think that the choice was simply down to chance. Perhaps, in one of the warm
little ponds filled with organic chemicals where life arose, a statistical fluke generated a small
imbalance in the relative amounts of the two versions of one chemical. This small imbalance
could have then amplified over time.
Una asimmetria nelle leggi della natura ha portato a chierdersi se alcuni fenomeni fisici non
possano aver influito sulla selezione delle molecole da usare nei viventi all’origine della vita.
Force of nature gave life its asymmetry
'Left-handed' electrons destroy certain organic
molecules faster than their mirror versions
Elizabeth Gibney, 25 September 2014, Nature
La debole forza che è implicata nel decadimento nucleare è l’unica forza della natura nota per
avere una preferenza per la lateralità (isomeria ottica): gli elettroni che si creano nel processo
di decadimento subatomico noto come β decay sono sempre left-handed (spin-polarized
electrons). La stessa situazione Questo significa che il loro spin è sempre opposto alla
direzione del moto dell’elettrone.
Questi elettroni polarizzati formati dal decadimento b oppure da cosmic-ray particles in the
atmosphere, sono in grado di distruggere alcuni isomeri più di altri, creando uno
sbilanciamento. Gli stessi elettroni sarebbero quindi la sorgente dell’asimmetria.
La causa primordiale per la produzione di elettroni polarizzati non è completamente chiara,
oltre a sorgenti di particelle β tipo fosforo-32 che decade a zolfo-32, c’è il decadimento dei
muoni, particelle elementari prodotte dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera.
Altri fattori alla base della chiralità delle biomolecole nei viventi sono la luce polarizzata
circolarmente che si produce dalla dispersione della luce nell’atmosfera e nelle stelle a
neutroni.
adenina
- H2O
HCN
+ H2O
HCHO
polimerizzazione
uracile
+ CO2
Le molecole sotto la
superficie sono protette
dalle radiazioni cosmiche
ed ultraviolette, dalle
eruzioni vulcaniche e
dall’essiccamento.
Sotto la superficie ci sono
ioni metallici che possono
catalizzare svariate
reazioni chimiche e che
sono usati come
componenti nelle vie
metaboliche.
Formazione di macromolecole da reazioni di condensazione
+ H2O
Distruzione di macromolecole mediante reazioni di idrolisi
con la presenza di una membrana ……
Protobionti o Protocellule
(stabili, finché il loro ambiente
interno è osmoticamente simile
a da quello esterno)
Hanno un metabolismo
elementare, capacità
di crescere e persino
di dividersi, sono
distrutti a causa
di fenomeni osmotici
Esempio di Protobionte costruito in laboratorio
Evoluzione Chimica
Formazione
della Terra,
con crosta e
atmosfera
Piccole
molecole
organiche
nelle lagune
Grandi
molecole
organiche
nei mari
primitivi
Formazione
di
protocellule
Evoluzione Biologica
Presenza di
procarioti
nei mari e
negli oceani
Presenza di
eucarioti
nei mari e
negli oceani
Organismi
multicellulari
prima nei mari
e poi sulla
terraferma
Le cellule si evolvono aumentando le dimensioni
del loro genoma e la quantità di macromolecole al
loro interno = CRISI INFORMAZIONALE
L’aumento di complessità dalle protocellule alle
cellule aggrava l’impatto osmotico con l’ambiente
esterno che diventa sempre più diluito
= CRISI OSMOTICA
Le cellule si evolvono fino a diventare ben
funzionanti, iniziano a proliferare consumando le
molecole di cibo disponibili = CRISI ENERGETICA
L’aumento di complessità dalle
protocellule alle cellule aggrava
l’impatto osmotico con l’ambiente
esterno che diventa sempre più
diluito = CRISI OSMOTICA
(1) raggio atomico di Na+ è più piccolo
di quello di K+
(2) stessa carica elettrica
(3) maggiore densità di carica
(4) maggiore sfera di solvatazione
scambiando Na+ con K+ si ha un ingresso
consistente di acqua = la cellula si rigonfia
e quindi esplode …
La pompa sodio/potassio è di fatto un
meccanismo per pompare acqua fuori
dalla cellula
Le cellule si evolvono
aumentando le
dimensioni del loro
genoma e la quantità
di macromolecole al
loro interno = CRISI
INFORMAZIONALE
La Ribonucleotide
reduttasi
trasforma il ribosio in
desossiribosio
La Trascrittasi inversa
costruisce
DNA sullo stampo di
RNA
Le cellule si evolvono fino a diventare ben
funzionanti, iniziano a proliferare consumando le
molecole di cibo disponibili = CRISI ENERGETICA
Fotosintesi
6CO2+6H2O+hn =>C6H12O6+6O2
Respirazione
C6H12O6+6O2=>6CO2+6H2O+DQ
Anidride
Carbonica +
acqua
Cellula
Cellula
Glucosio +
Ossigeno
Rappresentazione della Terra primitiva in cui sono mostrate
attività vulcanica e densi aggregati di procarioti fotosintetici
Stromatoliti: Rocce australiane formate da colonie di procarioti
Nel fondo degli
oceani sono
stati rinvenuti
strati di ossidi
di ferro e di
altri metalli di
transizione la
cui datazione è
di circa 2 miliardi di anni
A new model for Proterozoic ocean chemistry - Nature 396, 450-453 (3 December 1998) - doi:10.1038/24839 - D. E.
Canfield
Crescita a due stadi dei livelli di
ossigeno atmosferico:
• circa 2 miliardi di anni fa
• da 1,0 a circa 0,54 miliardi di
anni fa
A new model for Proterozoic ocean chemistry - Nature 396, 450-453 (3 December 1998) - doi:10.1038/24839 - D. E.
Canfield
Crescita a due stadi dei livelli di ossigeno atmosferico:
a) circa 2 miliardi di anni fa c'è stata una significativa ossidazione della
superficie terrestre, probabilmente indotta dalla crescente presenza di
ossigeno nell'atmosfera, associata ad aumentata sedimentazione di
materia organica tra 2 e 2.3 miliardi di anni fa;
b) le acque profonde sono rimaste anossiche e ricche di acido solfidrico fino
a ben dopo la cessazione della deposizione degli strati di ossido di ferro;
c) nella seconda fase, da 1,0 a circa 0,54 miliardi di anni fa, è stato
generato abbastanza ossigeno da consumare il solfuro nelle profondità
dell’oceano, ed ha determinato le molte innovazioni biologiche e
geochimiche che si sono verificate in quel momento.
Questo modello è coerente con la visione emergente per la geochimica dello zolfo
nel Precambriano e con gli eventi chimici che hanno portato all’evoluzione degli
animali, ed è pienamente verificabile da dettagliate analisi geochimiche di sedimenti
marini prelevati in acque profonde.
Stadi di Evoluzione
1. Sintesi abiotica di monomeri come amminoacidi e basi azotate
2. La formazione di polimeri come proteine e acidi nucleici
3. La presenza di molecole di RNA autoduplicanti in grado di evolvere
4. L’impacchettamento di tutte queste molecole in strutture delimitate da
membrane (note come Protobionti o Protocellule)
? 5. Esistono oggi milioni di specie diverse, tutte hanno lo stesso apparato
molecolare = Evoluzione e Selezione
?
Origins of life: The cooperative gene - Nature 491, 48–49 (01 November 2012) doi:10.1038/nature11635 – James Attwater &
Philipp Holliger
Cooperazione tra molecole e transizione dalla chimica inanimata alla biologia. La
cooperazione opera a tutti i livelli:
• a livello di organismi come i lupi che cacciano in branco
• singole cellule agiscono in modo coordinato durante lo sviluppo di un organismo
• reti di molecole di RNA che si assemblano tra loro
Nel Mondo ad RNA:
- piccoli RNA possono catalizzare semplici reazioni chimiche (ribozimi);
- la cooperazione di più RNA può generare funzionalità più complesse come
l'autoreplicazione
-principio di autoorganizazione (proposto da più di 30 anni). RNA autoreplicanti
cooperano tra loro generando una rete ciclica di cicli di rinforzo chiamati
ipercicli.
Un esempio è dato dal ribozima batterico Azoarcus, che ha la capacità di
riassemblare sè stesso quando è frammentato.
E’ stato dimostrato che gli RNA mutati generati
dalla duplicazione imperfetta agiscono l'uno
sull'altro per formare i cicli di auto-assemblaggio
cooperativi molto simili agli ipercicli, in cui il ribozima 1
aiuta l’assemblaggio del ribozima 2, 2 aiuta 3, 3 aiuta 1
e così via …
1
2
3
Figura 1 : L'emergere di ipercicli:
(a) una molecola di replicatore primordiale (R) che si duplica assemblando molecole di
substrato (S) in un semplice ciclo autocatalitico;
(b) La replicazione imperfetta genera un set di replicatori correlati tra loro, ciascuno promuove
la sintesi di tutte gli altri;
Distorsioni nella specificità degli R danno struttura a una rete che:
(c) può portare a sottosistemi egoistici oppure
(d) ad un iperciclo cooperativo (d), simile al sistema
descritto per il ribozima Azoarcus
Gli ipercicli restano globalmente
autocatalitici, ma sono più resistenti all'accumulo di mutazioni,
permettendo ai vari R di specializzarsi e di acquisire nuove funzioni
Le frecce rosse spesse e tratteggiate indicano aumentata
o diminuita efficacia nell’accrescere la replicazione di R
Origins of life: The cooperative gene - Nature 491, 48–49 (01 November 2012)
doi:10.1038/nature11635 – James Attwater & Philipp Holliger
Ipercicli di Eigen
In un insieme di reazioni chimiche:
• si instaurano meccanismi di competizione
e/o cooperatività tra specie molecolari presenti
• in ogni istante viene selezionata la specie più adatta
• a lungo termine resta solo la specie più adatta
Il disordine dei sistemi complessi può cristallizzare
improvvisamente e localmente in ordine
Questo fenomeno sembra indicare che alla base
dell’evoluzione biologica siano in gioco anche altri
meccanismi oltre alla selezione naturale, cioè che
la complessità dei sistemi biologici potrebbe essere il
prodotto dell'auto-organizzazione e di dinamiche
lontane dall'equilibrio oltre che della selezione
naturale darwiniana.
(Stuart A. Kauffman)