planetologia extrasolare quale vita? r.u. claudi
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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
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