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La vita da un piccolo stagno: nuovi studi confermano la teoria di Darwin

© East News / Universal History Archive/UIGCharles Robert Darwin
Charles Robert Darwin  - Sputnik Italia
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I chimici in condizioni di laboratorio hanno ottenuto a partire da sostanze non organiche delle strutture in grado di nutrirsi e riprodursi in maniera autonoma.

I fisici hanno dimostrato in merito quanto segue: è altamente probabile che le prime cellule formatesi in questo modo comparvero in bacini d’acqua a prosciugamento periodico. In tal modo è stata confermata la teoria di Darwin dell’autocreazione della vita in un piccolo stagno.

Cellule elementari della vita

Tutti gli organismi sulla Terra sono composti di cellule, ossia le più elementari unità della vita. Le principali funzioni che distinguono un essere vivente da uno non vivente sono il metabolismo, l’altezza, le reazioni ad agenti stimolanti, la capacità di adattamento, la capacità di riproduzione e la trasmissione di informazioni genetiche. Tutte queste funzioni sono possibili grazie ai processi fisico-chimici che avvengono all’interno delle cellule.

Ma perché tutto il sistema funzioni correttamente è necessario che si formi la cellula. Secondo gli scienziati, la formazione della cellula in natura è preceduta dall’accumulo di sostanze organiche e dalla comparsa durante la loro sintesi di forme prebiotiche, ossia protocellule, che diventano l’anello di congiunzione tra la materia vivente e quella inorganica. La storia geologica non ne conserva traccia poiché non sono giunte a noi rocce d’età superiore a 3,5 miliardi di anni. Questo è il periodo in cui nacque la vita sulla Terra.

Le protocellule dovevano contenere almeno due elementi fondamentali: una molecola in grado di autoreplicarsi e portatrice di informazioni genetiche; un rivestimento che la proteggesse dall’ambiente esterno. La struttura genetica delle protocellule era molto primitiva: gli scienziati ritengono che fino a un certo momento queste si nutrissero e riproducessero solamente senza mai cambiare di forma.

Nel 2011 i biologi dell’Università di Tokio crearono in laboratorio degli analoghi sintetici delle protocellule a partire da una selezione di sostanze organiche. In seguito a una reazione a catena della polimerasi (PCR) riuscirono a produrre una loro completa divisione autonoma analoga a quella che si verifica in condizioni naturali.

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Le nuove strutture cellulari formatesi in sede di divisione erano del tutto identiche a quelle originarie: oltre al rivestimento ereditarono dalle “cellule” madri tutta una serie di geni che andarono a definire le loro funzioni. Questi “organismi” non possono ancora essere definiti viventi poiché privi della componente evolutiva. Ma sono molto simili alle semplici strutture che comparvero sulla Terra miliardi di anni fa.

Per predisporre il primitivo substrato di strutture protocellulari (in termini scientifici, coacervato), gli autori dello studio presero decine di componenti organici il rapporto fra i quali fu preventivamente calcolato al computer. Unendosi queste sostanze formarono nel substrato delle strutture contenenti frammenti di DNA e dotate di un rivestimento cationico.

Nonostante lo studio condotto sia rivoluzionario, i risultati dello stesso non dimostrano la possibilità di una abiogenesi, ossia la formazione della vita a partire da sostanze non viventi. Infatti, i fermenti, i peptidi e gli acidi nucleotidici che gli scienziati impiegarono come componenti di base derivavano da sostanze organiche, ossia erano stati creati da organismi viventi.

Il DNA non è in grado di autoprodursi se nel processo non sono coinvolti specifici fermenti, ossia apposite proteine che catalizzano tutte le fasi della sua replicazione. Gli scienziati giapponesi riuscirono a crearlo in laboratorio ma, si noti bene, con l’ausilio di componenti biologici.

Materiali per le protocellule

In un nuovo studio gli scienziati dell’Istituto di Scienze delle Terra presso il Politecnico di Tokio in collaborazione con colleghi malesi, cechi, statunitensi e indiani hanno deciso di identificare i potenziali meccanismi di creazione delle protocellule partendo “da zero”, ossia soltanto nell’ambito di processi chimici che non coinvolgessero componenti biologici.

Gli scienziati hanno studiato un ampio ventaglio di composti in grado di formarsi in esito a diverse reazioni prebiotiche verificatesi durante i momenti più primitivi della storia della Terra.

Il pull di esperti ha scoperto che molte di queste sostanze (fra cui eteri, ammine, azoturi, immidi) in determinate condizioni vengono polimerizzate più facilmente rispetto ai composti biologici. Mentre alcuni creano anche spontaneamente delle strutture pseudocellulari, i cosiddetti compartimenti. Secondo gli autori, le catene polimeriche all’interno di tali compartimenti sono riuscite a creare, estendendosi, delle strutture tridimensionali uniche nel loro genere, ossia prototipi delle proteine o dell’RNA.

Com’è noto, le proteine, che prendono la forma di catene di amminoacidi polimerizzati assai flessibili, svolgono il ruolo di catalizzatori delle reazioni chimiche all’interno delle cellule. Negli organismi viventi sono sintetizzate con l’ausilio del codice universale contenuto nell’RNA. Gli scienziati ancora non sanno in che modo e quando questo sia comparso. Ma i risultati dello studio indicano che molte molecole polimerizzate sono in grado di creare simili catene e analoghe forme catalitiche.

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Per ottenere le catene polimeriche in laboratorio gli autori hanno ricreato il periodico avvicendarsi di un microclima secco a uno umido. Di norma, in corrispondenza dell’evaporazione della soluzione prendeva avvio il processo di polimerizzazione, ma non tutti i polimeri venutisi a formare sopravvivevano alla siccità. Alcuni si disgregavano. Mentre altri, aggiungendo acqua, continuavano il ciclo di sintesi. Questa, secondo gli autori, è la più primitiva (a livello molecolare) manifestazione della selezione evolutiva che nel corso del tempo è diventata la caratteristica imprescindibile per tutti gli organismi viventi.

Analizzando al microscopio questi polimeri “forti” in termini evolutivi, i ricercatori con sorpresa hanno scoperto che in alcuni si creavano dei compartimenti di dimensioni simili a quelle cellulari e contenenti tra 10 e 20 atomi. Secondo gli scienziati, con il tempo questi aggregati pseudocellulari dopo lunghi processi chimici potrebbero diventare cellule a tutti gli effetti, quindi strutture che si autoregolano e contenenti milioni di atomi.

L’instabilità è una condizione vitale

Anche i fisici confermano che l’avvicendarsi ciclico di periodi di umidità e siccità contribuisce alla comparsa a livello chimico di composti prebiotici complessi.

Gli scienziati della Pennsylvania State University di concerto con i colleghi della Pritzker School of Molecular Engineering dell’Università di Chicago hanno studiato al sincrotrone APS dell’Argonne National Laboratory del Ministero statunitense dell’Energia a quali rivolgimenti sono sottoposti i compartimenti polimerici nell’ambito dei cicli di idratazione-disidratazione.

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Gli autori hanno monitorato i coacervati di polielettroliti in ambiente liquido che presentavano composizione identica a quella dell’acqua in uno stagno. Gli scienziati hanno simulato le condizioni in cui lo “stagno” si secca e poi si riempie nuovamente di acqua piovana. E hanno appurato che nel primo caso la concentrazione di acidi nucleotidici e di sali aumenta, mentre nel secondo diminuisce. Ma all’interno dei compartimenti polimerici la concentrazione non varia.

Questo indica che all’interno delle primitive strutture pseudocellulari l’ambiente era costante, il che ha contribuito il sostentamento dei cicli di reazioni chimiche. Secondo i ricercatori, questo è stato un fattore decisivo della graduale formazione all’interno delle protocellule di composti polimerici complessi autoreplicanti quali l’RNA.

Oggi i chimici sanno che in natura i cicli periodici idratazione-disidratazione semplificano la selezione di blocchi molecolari (amminoacidi e nucleotidi) all’interno di peptidi e proteine in presenza di un calo della barriera termodinamica che in condizioni abituali ostacola la polimerizzazione. Esempi di tali sistemi naturali sono bacini idrici poco profondi in aree in cui le piogge si alternano periodicamente alle siccità oppure fonti termali episodiche come i geyser.

Ma sorprende che il primo a formulare l’idea secondo cui la vita fosse nata in un “piccolo stagno scaldato dal sole” sia stato Charles Darwin già a metà del XIX secolo.

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