Origine della vita

Materie:Tesina
Categoria:Scienze

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Testo

FORMAZIONE DELL’UNIVERSO E DEL SISTEMA SOLARE
Il BIG BANG
Le conoscenze acquisite in questi ultimi decenni hanno permesso agli scienziati di formulare delle teorie circa origine e la conseguente evoluzione dell’Universo. Tra le varie teorie avanzate, la più accreditata è quella Big Bang, formulata nel 1948 dal fisico statunitense G. Gamow (1904-1968). Analizzando lo spettro della luce che proviene dalle varie galassie, si è scoperto che tutte le galassie sono dotate di un moto di allontanamento rispetto alla nostra galassia e che tale moto è tanto maggiore, quanto più è lontana la galassia. Questo fenomeno è osservabile da qualsiasi altra galassia, quindi: tutte le galassie si allontanano le une dalle altre con velocità proporzionale alle loro distanze: si parla di Universo in espansione.
Se andassimo a ritroso nel tempo, troveremmo queste galassie sempre più vicine e l’universo sempre più concentrato in una sfera relativamente piccola, di densità e calore enormi: un “atomo primordiale”. Circa 18 miliardi di anni fa questo atomo primordiale subì una gigantesca esplosione, il così detto Big Bang e furono scaraventate nello spazio materia ed energia sotto forma di particelle elementari, che dopo pochi millesimi di secondi si erano già differenziate in protoni, neutroni ed elettroni, a una temperatura di almeno 100 miliardi di gradi. Nasceva così l’Universo e mente l’espansione progrediva, sotto la spinta della gigantesca esplosione, il volume dell’Universo cresceva e la temperatura si abbassava. Iniziarono a formarsi le prime stelle
ORIGINE DEL SISTEMA SOLARE.
Varie sono le ipotesi che gli scienziati hanno formulato per spiegare l’origine del sistema solare, la più attendibile è: l’ipotesi della nube di polvere cosmica.
Secondo qust’ipotesi, circa 5 miliardi di anni fa la nostra galassia era ancora una “protogalassia”, un’enorme nube di gas e polvere cosmica, che, a causa della forza di attrazione reciproca delle particelle che la componevano, cominciava a collassare, cioè a concentrarsi ed addensarsi verso il centro iniziando, quindi, a ruotare su se stessa sempre più velocemente e ad assumere la forma di un disco. La nube si riscaldava sempre più per effetto della pressione fino a raggiungere una temperatura elevatissima che innescò, nella sua parte centrale, delle reazioni nucleari di fusione. Si accese così una stella: il Sole. Non tutto il materiale della nube, diventata simile ad un vortice, cadeva sulla stella, attorno ad esso ruotava ancora una parte di nube composta da particelle solide e gas: idrogeno ed elio. La parte gassosa si allontanava, spazzata dal vento solare, ma insieme a particelle solide rimaneva intrappolata dalla forza gravitazionale del sole attorno al quale ruotava. Nel loro movimento queste particelle si scontravano, si aggregavano, diventavano via via più grandi e incominciavano a esercitare la propria forza di gravità attirando i corpi più piccoli che si trovavano nei loro dintorni. Si formarono così i planetesimi, dai quali, nell’arco di alcune decine di milioni di anni, presero forma i vari componenti del Sistema Solare: i pianeti, gli asteroidi, le comete.
Altre ipotesi origine del sistema solare.
• Ipotesi nebulare di Kant-Laplace ipotizzata nel 1700 dal filosofo Kant e dal matematico astronomo Laplace. Il sistema solare si sarebbe originato da un’immensa nube gassosa che ruotava nello spazio. A causa di condensazioni e contrazioni, questa nube avrebbe cominciato a ruotare su se stessa così velocemente da causare la separazione di masse al suo interno. La massa presente nella zona centrale avrebbe formato il sole, quelle periferiche, raffreddandosi, avrebbero dato origine ai pianeti e ai loro satelliti.
• Ipotesi planetesimale o di Jeans. Secondo questa ipotesi, formulata nel 1905 e ripresa nel 1911 dall’astrofisico Jeans, il sistema solare si sarebbe originato in seguito al passaggio vicino al Sole di una grossa stella che avrebbe provocato, per attrazione, il sollevamento e il distacco di grandi quantità di materia solare che si sarebbe poi condensata e raffreddata formando i vari pianeti.
• Ipotesi della turbolenza o di Weizsacher. Secondo questa ipotesi, formulata nel 1944 dal fisico Weizsacher, il Sole era circondato da una nube gassosa, le cui varie parti ruotavano a differenti velocità, tanto da creare turbolenze e vortici. Alcune parti della nube si sarebbero staccate all’interno di questi vortici e, condensandosi, avrebbero dato origine a pianeti e satelliti.
IL PROBLEMA DELL’ORIGINE DELLA VITA
Al giorno d’oggi non c’è alcun dubbio che la nascita da genitori vivi sia un carattere comune a tutte le piante e a tutti gli animali, eppure nel 1600 c’era chi la pensava diversamente e credeva, ad esempio, che i vermi e le mosche nascessero direttamente dal marciume, che le rane nascessero dal fango, ecc.; questo modo di nascere senza genitori veniva chiamato generazione spontanea o abiogenesi ed era frutto delle antiche supposizioni di Aristotele tramandatesi per 20 secoli. Secondo Aristotele gli spiriti vitali diffusi nell’aria entravano nella materia in disfacimento e la trasformavano direttamente in piccoli animali: vermi, mosche, rane ed anguille nascevano in questo modo. Nel 1668, il medico italiano Francesco Redi allestì una serie di prove sperimentali, per dimostrare che la generazione spontanea era impossibile.
ESPERIMENTO DI REDI
Redi volle provare che le mosche non nascevano dalla carne in putrefazione, a questo scopo pose in alcuni barattoli vari tipi di carne, chiudendone una parte ermeticamente e lasciando gli altri aperti. Dopo qualche tempo osservò che nei recipienti chiusi la carne era andata in putrefazione, ma le mosche non erano comparse, mentre in quelli aperti la carne putrefatta si era ricoperta di vermi. Lo scienziato decise di tenere i vermi sotto osservazione e scoprì così che dopo alcuni giorni i vermi si richiudevano in minuscoli bozzoli e che da questi si sviluppavano le mosche. Redi concluse che le mosche erano nate soltanto dove altre mosche avevano potuto depositare le loro uova sulla carne. I sostenitori della generazione spontanea, che ipotizzavano la presenza nell’aria di forze vitali, generatrici di vita, obiettarono che la chiusura ermetica dei barattoli aveva in essi limitato la circolazione dell’aria, per cui le forze vitali non avevano potuto agire. Allora Redi ripeté l’esperimento, chiudendo i barattoli con una garza in modo che l’aria e le forze vitali, ammesso che esistessero, potessero entrarvi liberamente. Poiché non si svilupparono né vermi, né mosche, egli concluse che la trama della garza era sufficientemente piccola da non consentire il passaggio delle mosche e quindi la deposizione delle uova. Redi concluse che la generazione spontanea non esiste e che ogni essere vivente nasce da genitori vivi.
Il problema sembrava definitivamente risolto, ma l’idea della generazione spontanea tornò in auge con la costruzione dei microscopi ottici che svelarono agli occhi dei biologi un nuovo mondo: quello dei microrganismi. Come si originavano questi minuscoli esseri viventi presenti ovunque? La questione divise gli studiosi in due correnti, vitalisti e meccanicisti, che però non si schierarono nettamente a favore o nettamente contro la generazione spontanea perché dovevano ancora essere prese in considerazione le dottrine religiose.
Il problema rimase in sospeso finché nel 1860 il francese Louis Pasteaur fornì una prova decisiva contro la generazione spontanea, nel corso dei suoi studi sulle fermentazioni attuate dai microrganismi. Dopo alcuni studi sulla produzione del vino, si era convinto che la fermentazione dell’uva, l’inacidimento del latte o la trasformazione del vino in aceto erano prodotte da esseri invisibili le cui spore sono portate ovunque dall’aria. Secondo Pasteaur esisteva una precisa correlazione tra una certa specie di batterio e un certo tipo di fermentazione; egli avanzò anche l’ipotesi che le malattie infettive fossero causate da batteri nocivi. La sua ipotesi, però, aveva sulla sua strada un ostacolo: il secolare pregiudizio della generazione spontanea.
ESPERIMENTO DI PASTEAUR
Pasteaur riuscì a dimostrare che i brodi organici fermentabili, una volta sterilizzati, non entrano più in fermentazione, se si evita di farli entrare in contatto con spore batteriche.
Fece bollire un brodo di carne in un matraccio particolare, con il collo ripiegato a forma di S; così l’ebollizione sterilizzava il brodo, mentre l’uscita del vapore caldo provvedeva a rendere sterile anche il collo del recipiente. Terminata la bollitura, l’aria poteva rientrare nel matraccio, ma Pasteaur pensò che tutte le particelle in sospensione, essendo più pesanti, si sarebbero depositate nell’ansa del collo, senza raggiungere il brodo sterile. Egli dimostrò che soltanto inclinando il matraccio, in modo che il liquido giungesse a contatto con ciò che si era depositato nel collo, si otteneva lo sviluppo di nuovi microrganismi a partire da quelli contenuti nella polvere. L’evidenza di questi risultati negò definitivamente ogni possibile obiezione anche da parte dei fautori della generazione spontanea
Le nuove ipotesi sull’origine della vita, in realtà, prevedono una fase abiotica, senza cioè l’intervento di organismi, verificatesi in opportune condizioni ambientali.
IPOTESI SULL’ORIGINE DELLA VITA
Esistono somiglianze essenziali fra gli esseri viventi, prime tra tutte la presenza di un acido nucleico e l’organizzazione in minime unità strutturate: le cellule. I viventi sono quindi collegati fra loro in ordine di complessità crescente, per cui sarebbe sufficiente spiegare come si è formato un organismo semplice, per rendersi conto dell’origine degli altri. I paleontologi, utilizzando le informazioni fornite dai fossili, cioè i resti e le esili tracce dagli organismi vissuti nel passato, sono riusciti a raccogliere dati e testimonianze abbastanza precise sul modo in cui si è sviluppata la vita. Di sicuro si sa che quattro miliardi e mezzo di anni fa, quando la terra era appena “nata”, la composizione dell’aria era ben diversa da quella odierna. Molto probabilmente l’atmosfera era formata da idrogeno, vapore acqueo, metano e ammoniaca, una miscela che non permetteva certo la vita. Questo tipo di atmosfera non era neppure in grado di fermare i raggi ultravioletti del Sole, che raggiungevano la crosta terrestre, provocando reazioni chimiche indispensabili per produrre le sostanze organiche, da cui si pensa abbia avuto origine la vita. Tali raggi, però, erano dannosi per gli organismi, una volta iniziata la vita. Negli anni venti cominciò a farsi strada l’ipotesi che le prime forme di vita dovessero essersi formate circa 3 miliardi e mezzo di anni fa negli oceani, perché l’acqua era in grado di bloccare una notevole quantità di raggi ultravioletti.
IPOTESI DI OPARIN
Nel 1924 il russo Oparin pubblicò un volumetto sull’origine della vita e 5 anni dopo l’inglese Haldane giunse autonomamente alle stesse conclusioni. La loro ipotesi parte dal presupposto che l’atmosfera terrestre primordiale fosse fortemente riducente, ciò in base al fatto che le rocce più profonde contengono minerali meno ossidati di quelle superficiali. I componenti chimici di tale atmosfera avrebbero potuto essere idrogeno H2, vapore acqueo H2O, metano CH4 e ammoniaca NH3. A partire da queste sostanze, in presenza di un adeguato apporto energetico esterno (scariche elettriche dei fulmini, raggi ultravioletti, energia fornita dal calore del sole) si sarebbero formati i primi composti biologici, zuccheri e amminoacidi, sostanze chimiche che stanno alla base di qualsiasi forma di vita. L’ipotesi formulata allora fu che tali sostanze si fossero accumulate negli oceani fino a concentrarsi in quello che fu definito brodo primordiale.
Nelle condizioni offerte dal brodo primordiale avvenne la sintesi di molecole organiche di grosse dimensioni, in particolare proteine, acidi nucleici, lipidi, polisaccaridi, che cominciarono ad raggrupparsi, fino a formare degli ammassi sempre più complessi, i coacervati.
I coacervati sono degli aggregati di differenti macromolecole, a forma di goccioline o microsfere, in una soluzione molto diluita. Essi sono circondati da uno strato che funge da membrana e li isola dall’ambiente esterno; sono tuttavia in equilibrio con la soluzione e possono assorbire particolari molecole realizzando una sorta di metabolismo elementare.
Oparin mise in una soluzione acquosa una proteina (istone) e una fosforilasi con dell’ADP. Si formarono degli acidi nucleici, che si unirono con l’istone a costituire goccioline di coacervati.
Ad un certo punto i coacervati avrebbero raggiunto un livello di specializzazione tale da consentire loro la riproduzione, per cui poté iniziare il processo dell’evoluzione.
SECONDO QUESTA IPOTESI LA VITA HA AVUTO ORIGINE PER GENERAZIONE SPONTANEA.
Molte sono state le prove sperimentali che hanno consentito di confermare l’ipotesi di Oparin, la prima di esse fu effettuata, nel 1953, da Stanley Miller nel laboratorio di Urey a Chicago.
SPERIMENTO DI STANLEY MILLER.
L’apparecchiatura mediante la quale lo scienziato dimostrò la sintesi abiotica di molecole biologiche semplici era abbastanza elementare. Nella boccia inferiore era contenuta acqua in ebollizione che originava vapore acqueo, convogliato da un tubo nella boccia superiore, dove si trovava una miscela di NH3, CH4, H2, He, sottoposta a scariche elettriche prodotte dalla spirale di Tesla (congegno che produce scariche ad alto voltaggio). Il vapore acqueo, una volta venuto a contatto con i gas, subiva un raffreddamento che ne provocava il ritorno allo stato liquido nella boccia di partenza: in questo modo Miller simulò le condizioni dell’oceano primitivo e della relativa atmosfera sede di fenomeni temporaleschi. Dopo un paio di settimane di funzionamento l’analisi chimica dimostrò la presenza nel miscuglio atmosferico di altri gas ( N2, CO2, CO) e nell’acqua di nuovi composti, quali amminoacidi, acidi organici, urea.
Sulla scia di questo esperimento ne seguirono altri simili, che variarono solo il tipo di fonte di energia.
Nel 1959 alcuni scienziati tedesche e russi ottennero, in presenza di raggi ultravioletti, urea, acidi formico e formaldeide; nel 1962 Calvin, utilizzando bombardamento elettronico ottenne acido cianidrico, adenina, urea e acido lattico.
Nel 1964 Fox con il calore ottenne acido cianidrico e amminoacidi, particolarmente importanti, in quanto gli amminoacidi sono i precursori delle proteine, mentre l’acido cianidrico ha manifestato spontaneamente la capacità di polimerizzare in varie forme, fino alla formazione dell’adenina.
Nel 1965 Fox formulò l’ipotesi delle microsfere, che prevede la formazione di strutture rotondeggianti, limitate rispetto all’ambiente, da un doppio strato lipidico simile alla membrana biologica, in piccoli bacini chiusi, nei quali il brodo oceanico primitivo si concentrava per evaporazione.
IN SINTESI L’EVOLUZIONE CHIMICA DELLA VITA HA SEGUITO LE SEGUENTI TAPPE
IPOTESI AUTOTROFA ED ETEROTROFA DELLE PRIME CELLULE
Le principali ipotesi che mettono in rapporto il mondo inorganico ed organico sono quella autotrofa e quella eterotrofa.
SCHEMA IPOTESI AUTOTROFA
SCHEMA IPOTESI ETEROTROFA
All’ipotesi autotrofa si possono muovere alcune critiche: non è ammissibile che gli autotrofi siano comparsi prima delle sostante organiche, poiché sono da esse sono costituiti; inoltre gli autotrofi sono per certi aspetti più complessi degli eterotrofi, quindi pensare che essi siano comparsi per primi sarebbe in contrasto con le teorie evolutive.
IL PREDOMINIO DEI BATTERI
1. Dopo essere scaturita per generazione spontanea dal brodo primordiale, la vita si evolve e dalle prime “goccioline” capaci di riprodursi, si sviluppano le prime forme batteriche. . Questa fase dura 1,2 miliardi di anni
2. I batteri ancestrali brulicalo nelle zone costiere semisommerse, dove formano le prime colonie stabili. Millennio dopo millennio i batteri accumulano sulle originari colonie coltri di sedimenti fino a formare dei tumuli che pietrificandosi hanno dato origine agli stromatoliti, i più antichi fossili del mondo. Poiché l’atmosfera è priva di ossigeno, tutti i batteri di questa fase biologica sono anaerobi e consumano per fermentazione le sostanze del brodo primordiale. Essi appartengono alla categoria dei Bioriduttori. La loro attività però non è compensata da un ciclo. Questa fase dura 1,2 miliardi di anni.
3. Alcuni batteri mutanti cominciano ad utilizzare la luce del sole per produrre gli alimenti organici di cui hanno bisogno, infatti, non essendoci un ciclo che autoregola produzione e consumo, le sostanze organiche contenute nel brodo diminuiscono e la vita rischia di estinguersi. I batteri mutanti si comportano perciò da produttori e danno luogo ai cianobatteri e alle alghe azzurre. Avviene così la chiusura di un ciclo biologico semplice tra produttori e bioriduttori. La fotosintesi produce ossigeno come sostanza di scarto. Ha così inizio la trasformazione dell’intera biosfera; l’ossigeno tuttavia, prima di raggiungere l’aria si riversa nell’acqua, dove sono disciolti molti sali di ferro che danno con esso un composto simile alla ruggine: i fanghi rossi, che si depositano sul fondo degli oceani. Questa fase dura 400 milioni di anni.
4. Solo dopo aver precipitato tutto il ferro l’ossigeno può iniziare ad accumularsi nell’atmosfera, fino a raggiungere l’1% di quanto ce n’è oggi. I batteri anaerobi che hanno dominato fino ad ora, ma per i quali l’ossigeno è dannoso, si rifugiano sul fango dei fondali o nei luoghi umidi. Contemporaneamente si evolvono batteri aerobi, che cominciano ad utilizzare l’ossigeno per liberare, mediante la respirazione, l’energia chimica dalle sostanze organiche prodotte dalle alghe azzurre. Il rendimento energetico della respirazione è superiore a quello della fermentazione. Ha così inizio un terzo modo di vita quello dei consumatori. Si completa così il ciclo biologico. Questa fase dura 400 milioni di anni.
ALLA FINE DI QUESTA FASE SONO GIÀ TRASCORSI, DALL’ORIGINE DEL PIANETA, 3,2 MILIARDI DI ANNI, PARI AI 2/3 DELLA SUA INTERA SORIA.
DAI PROCARIOTI AGLI EUCARIOTI
Nel periodo che va da 1,4 miliardi a 800 milioni di anni fa l’evoluzione compie un balzo decisivo: hanno origine le cellule eucariote. Il mondo è popolato da tre tipi di batteri appartenenti al regno delle Monere, i batteri anaerobi, che fermentano le sostanze e vivono in assenza di ossigeno, i cianobatteri e le alghe azzurre, che svolgono la fotosintesi e i batteri aerobi che utilizzano ossigeno per respirare e ricavare energia dalle sostanze organiche. Ad un certo punto queste funzioni vengono messe in comune mediante una società di “mutuo soccorso”: la simbiosi. La simbiosi avviene quando alcuni batteri fermentatori, più grandi, cominciano ad ospitare dentro la propria cellula numerosi altri batteri più piccoli. I piccoli batteri mettono in comune il loro patrimonio enzimatico con quello dell’ospite e tutti ne ricavano un vantaggio reciproco.
• Certi piccoli batteri rossi, tipicamente aerobi, danno origine ai mitocondri.
• I cianobatteri, provvisti di clorofilla, danno origine ai cloroplasti.
• Un’altra radicale trasformazione in queste cellule complesse, è la delimitazione di un nucleo, dove è contenuto il materiale genetico, cioè i programmi di montaggio delle numerose sostanze ed enzimi.
• I programmi di montaggio vengono trasmessi alle generazioni successive attraverso una riproduzione più complessa di quella batterica e dalla quale ha origine la riproduzione sessuata.
IN CONCLUSIONE
LA CELLULA EUCARIOTA DERIVA DAL MONTAGGIO E DALLA RIORGANIZZAZIONE FUNZIONALE DI UNITÀ BIOLOGICHE PIÙ SEMPLICI. ECCO PERCHÉ PROCARIOTI ED EUCARIOTI, PUR VIVENDO IN BASE AGLI STESSI MECCANISMI, SONO RADICALMENTE DIVERSI.
IPOTESI AUTOTROFA ED ETROTROFA SULL’ORIGINE DELLA VITA.
Secondo alcuni scienziati la vita sarebbe arrivata sulla terra dallo spazio; essi ritengono possa esservi giunta attraverso comete o meteoriti contenenti germi di microrganismi (microzoa), che colpirono la terra nella prima fase della sua storia. Questi microrganismi, trovandosi in un ambiente adeguato, sarebbero stati capaci di evolversi nelle forme di vita che esistono oggi (ipotesi della panspermia). Questa ipotesi non spiega però la questione di come si è originata la vita, ma sposta semplicemente il problema in qualche altra parte dell’Universo, in secondo luogo, è molto difficile che forme di vita prive di protezione avessero potuto sopportare i rigori dello spazio interplanetario. i raggi ultravioletti, i raggi cosmici e gli estremi di temperature, sarebbero stati problemi insuperabili per forma microscopiche non protette.

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