Planetologia Extrasolare

Quale vita?

R.U. Claudi

Incursione nella biologia

Abitabilità intorno al Sole ed altre stelle

Ricerca della vita

Definizione “Operativa” di Vita

Un sistema è vivo se:

-contiene informazioni

-scambia energia con l’ambiente

-è capace di autoreplicarsi

-È soggetto a variazioni casuali del suo bagaglio di informazioni

Per continuare lo sforzo di generalizzazione…

Strutture fisiche basate sulla fisica dei solidi e l’elettronica dei cristalli liquidi…

…ma è difficile immaginare un processo naturale che possa generarle

…i cui Habitat potrebbero essere pianeti rocciosi con Tsup 200 250 K, o asteroidi…

…Oppure sistemi basati sul plasma elettromagnetico…

…per i quali l’abitabilità è data dalle condizioni del mezzo interstellare

http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html

La chimica basata sul Carbonio…

Si ossida facilmente: CO2 Si riduce facilmente: CH4

100%

100%100%

100%

100%

100%

100%

94%

89%

81%29%

Ma soprattutto ha la capacità di combinarsi facilmente per formare molecole complesse

http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html

… in soluzione acquosa

Evoluzione Reazioni

Chimiche Soluzione

Solido

Liquido

Troppo lente Alcoli Idrocarburi

CH4

AcquaNH3

Perché l’acqua: caratteristiche

ε=80 Permette dissociazione dei sali

Capacità di costruire legami H con le molecole dissolte

Ampio intervallo di temperatura entro cui si mantiene liquida

Allo stato di ghiaccio ha densità minore dello stato liquido

Ottimo mediatore termico

Solventi liquidi alternativi

Idrocarburi

Alcoli

Ammoniaca

CH4Metano

-182.0 -164.0

T fusione

T ebollizione

C2H6Etano -183.0 -88.6

CH3OHMetanolo

-97.0 64.7

CH3CH2OHEtilico -114.0 78.3

NH3 -77.7 -33.3

Sono caratterizzati da un basso valore della costante dielettrica, in alcuni casi non costruiscono legami H con i soluti, in alcuni casi aggrediscono il materiale organico (ammoniaca)

C C

…insomma:

Sistema vivente, basato sulla chimica del carbonio e che utilizza l’acqua come

solvente per le reazioni chimiche…

RICORDA QUALCOSA?

Strutture fisiche basate sulla chimica organizzate in macromolecole lineari

Palad PaladThy

p-RNA

Acido Peptico Nucleico (PNA)

Bibl.:Maurel M.C., 1999

Composti Organici degli esseri viventi

Proteine

Carboidrati

Lipidi

Acidi Nucleici

Elementi strutturali

Trasmissione di segnali all’interno della cellula

Enzimi

Scorte di energia

Immagazzinamento e trasferimento di informazioni

C

HH

N

H

C

O

HO

Carboxyl group: COOH

Amine Group: NH2

CCentralcarbonatom

H

H

H

L-Alanine

C

HH

N

H

C

O

HO

C

H

H

H

D-Alanine

C

H

H

N

H

C

O

HO

H

C

H

H

N

H

C

O

O

H

H

HC

H

C

H

H

N

H

C

O

H

H

C

H

H

N

H

C

O

O

H

H

HC

H

O

Peptide link

glycine alanine

• Le proteine sono formate da catene di molecole dette amminoacidi

• Le proteine sono formate da catene costituite da 14 – 500 amminoacidi, ma possono arrivare fino a 30000.

• Solo 20 Amminoacidi (in natura sono molti di più).

• Praticamente tutti hanno chilarità L, solo uno ha chilarità D (Glicina)

Proteine e Amminoacidi

Alanina

Glicina

Alanina A.Glutammico Leucina Serina

Arginina Glutammina Lisina Treonina

Asparagina Glicina Metionina Triptofano

A. Aspartico Istidina Fenilalalina Tirosina

Cisteina Isoleucina Prolina Valina

I 20 amminoacidi

L’acido desossiribonucleico (DNA)

Purine

Pirimidine

1 zucchero (desossiribosio)

1 gruppo fosfato

1 base azotata

nucleotide

Dimensioni fisiche della superelica del DNA

…e la Sintesi Proteica

Nessuna informazione

formazione

Trascrizione

Decodifica

Start: AUG (in m-RNA)

Stop: UAA; UAG,UGA (in

m-RNA)

Corrispondenza tra

amminoacidi e triplette

Reperimento dell’energia

ATP: Adenosintrifosfato

N

N

N

N

N H2

O

OHOH

CH2OPOPOPO

OOO

OOO

~ ~

Legami ad alto contenuto di Energia:

30 kJ/mol

Energia chimica a disposizione della cellula previo la rottura dei legami fosforici per idrolisi enzimatica

Adenosina

+

Ribosio

Tre processi fondamentali:

Fotosintesi:

Ossidazione:

Fermentazione:

Glucosio

Processi energetici

processo energetico che immagazzina energia

Etanolo

Processi biochimici esoenergetici

€

6CO2 + 6H2Ohv ⏐ → ⏐ C6H12O6 + 6O2

€

CH2O+O2 ⏐ → ⏐ CO2 + H2O

€

C6H12O6 ⏐ → ⏐ C2H6O+ 2CO2

A volte la vita è proprio dura!

Thiobacillus Ferrooxidans

Battero Aerobico che ottiene l’energia necessaria dalla ossidazione del ferro e dello zolfo

Ph

T

Dimensioni

1.3-4.5

30-35 C1.0 m

Evidenze per un comune discendente

•Tutti gli esseri viventi conosciuti usano il DNA, RNA, le proteine, gli zuccheri ed i grassi

•Può essere creata una sola gerarchia di specie sempre più complesse

•Organismi simili biologicamente condividono la maggior parte del DNA

•Discendente comune implica fossili di transizione

•Arti e organi primordiali, come per esempio le ali dei pinguini

Albero Filogenetico e progenitore comuneprocariota

Eukariota

• ESTREMOFILI

Archebatteri

MetanococcusCO2, H2, T 50°-86°

Alobacterium5M/Litro di NaCl

SulfolobusPh 1-5, T 65°-90°

Strain-121T 121° (14/8/2003)

Procarioti Formazioni ferrose

Accumulo di Ossigeno libero

Eucarioti

Vita multicelluare

4 Gya 3 Gya 2 Gya 1 Gya

Animali molluschi

Esplosione Cambriana

Trilobiti

Dinosauri e Uccelli

Vita nel Pre-Cambriano

Piante e fiori

Umani

CO2 O2 CO2 O2

Formazione Crosta

Tre linee di evidenza……che la vita si sia esistita 3.85 Gya e che era sottoforma di esseri unicellulari

1. Ritrovamento di Stromatoliti

2. Ritrovamento di microfossili

3. Arricchimento di 12C negli organismi fossili

Origine della vita: i fossili più antichi•I fossili più antichi risalgono a 3.5 Gy e sono stati trovati ad Apex Chert in Australia dell’ovest e nell’africa del Sud

•Evidenza di formazioni di materiale organico risalenti a 3.5 Gy nelle formazioni ISUA in Groelandia

•Stromatoliti risalenti a 3.5 Gy in Australia

Esplosione Cambriana

•Piccole conchiglie fossili (1-5 mm)

•Conchiglie, scheletri e denti portano ad una esplosione evolutiva di specie

•In 35 milioni di anni appaiono tutte le specie moderne

•Le parti ossee e dure dei corpi incentivano di molto il numero di fossili (Esplosione Cambriana)

Orgine della vita: l’esperimento di Urey-Miller

Dopo una settimana il 15% del carbonio si è trasformato in composti organici. 2% in amminoacidi (Glicina, α-alanina and β-alanina)

•Critiche:

–L’atmosfera primitiva non era fortemente riducente, non così tanto!

–Ruolo della radiazione UV?

–Entrambe le chilarità sono presenti con la stessa abbondanza

Orgine della vita: sorgenti idrotermali

L’energia necessaria alla chimica della vita può essere attinta al calore geotermico.

Protezione dall’UV dovuta all’acqua

Acqua riscaldata a 1000C

Acqua emessa a 450 C

Estremofili, per es.: Strain 121

Orgine della vita: panspermia

Meteorite di Murchison

•Gli amminoacidi sono stati trovati nello spazio (precursori di ammino acidi nelle nubi molecolari, glicina in Sagitarius B2).

•Eccesso di varietà di amminoacidi di Chiralità L trovati nella meteorite di Murchison (Boatta, 2002)

•Produzione in laboratorio di amminoacidi da ghiaccio spaziale irradiato da UV (“Nature 416”, 28 Mar 2002).

Alcuni esperimenti Esobiologici

AMINO

SPORES

ROSE/PUR

BIOPAN

PERSEUS

ISS EXPOSE

BIOPAN

MIR

Studio della chimica del S.S. con relazione all’origine della vita resitenza precursori biorganici alle condizioni dello spazio

Comportamento di spore, batteri e funghi mischiati con polvere meteoritica

Comportamento di amminoacidi, basi azotate e acidi nucleici esposte a variazioni di T e radiazione Ionizzante (UV e gamma)

Esposizione di batteri a condizioni estreme nello spazio

Esposizione di amminoacidi alle condizioni dello spazio

ISS EXPOSE

ISS EXPOSE

Conclusioni

•Un sistema vivente è il risultato di un lento processo di evoluzione dato dalla somma di eventi con probabilità plausibile•Appena l’ambiente diventa “abitabile” la vita si afferma•Il sistema di vita basato sulla chimica del carbonio e sull’uso dell’acqua è il più probabile•Sulla terra il sistema di codifica e decodifica delle informazioni è basato sul DNA e sull’RNA, ma abbiamo visto che possono esistere altri sistemi per l’imagazzinamento delle informazioni