Planetologia Extrasolare Quale vita?

1. Planetologia Extrasolare Quale vita? R.U. Claudi

2. Incursione nella biologia Abitabilità intorno al Sole ed altre stelle Ricerca della vita

3. 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

4. Per continuare lo sforzo di generalizzazione… Strutture fisiche basate sulla fisica dei solidi e l’elettronica dei cristalli liquidi… …i cui Habitat potrebbero essere pianeti rocciosi con Tsup 200 250 K, o asteroidi… …ma è difficile immaginare un processo naturale che possa generarle

5. …Oppure sistemi basati sul plasma elettromagnetico… http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html …per i quali l’abitabilità è data dalle condizioni del mezzo interstellare

6. 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 94% 89% 29% 81% La chimica basata sul Carbonio… Si ossida facilmente: CO2 Si riduce facilmente: CH4 Ma soprattutto ha la capacità di combinarsi facilmente per formare molecole complesse http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html

7. … in soluzione acquosa Evoluzione Reazioni Chimiche Soluzione Solido Liquido Troppo lente Alcoli Idrocarburi CH4 Acqua NH3

8. Perché l’acqua: caratteristiche Permette dissociazione dei sali ε=80 Capacità di costruire legami H con le molecole dissolte Ottimo mediatore termico Ampio intervallo di temperatura entro cui si mantiene liquida Allo stato di ghiaccio ha densità minore dello stato liquido

9. Solventi liquidi alternativi T fusione T ebollizione Idrocarburi C C CH4 Metano -182.0 -164.0 C2H6 Etano -183.0 -88.6 Alcoli Metanolo CH3OH -97.0 64.7 Etilico CH3CH2OH -114.0 78.3 Ammoniaca 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)

10. …insomma: Sistema vivente, basato sulla chimica del carbonio e che utilizza l’acqua come solvente per le reazioni chimiche… RICORDA QUALCOSA?

11. Strutture fisiche basate sulla chimica organizzate in macromolecole lineari Acido Peptico Nucleico (PNA) p-RNA Palad PaladThy Bibl.:Maurel M.C., 1999

12. Composti Organici degli esseri viventi Elementi strutturali Enzimi Proteine Trasmissione di segnali all’interno della cellula Carboidrati Scorte di energia Lipidi Immagazzinamento e trasferimento di informazioni Acidi Nucleici

13. Proteine e Amminoacidi • 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) Glicina Alanina

14. I 20 amminoacidi

15. L’acido desossiribonucleico (DNA) 1 zucchero (desossiribosio) 1 gruppo fosfato 1 base azotata nucleotide Pirimidine Purine

16. Dimensioni fisiche della superelica del DNA

17. …e la Sintesi Proteica Nessuna informazione formazione Trascrizione Decodifica

18. Corrispondenza tra amminoacidi etriplette Start: AUG (in m-RNA) Stop: UAA; UAG,UGA (in m-RNA)

19. N H2 N N N N O O O O ~ O P O P O P O CH2 ~ O O O OH OH Reperimento dell’energia Energia chimica a disposizione della cellula previo la rottura dei legami fosforici per idrolisi enzimatica ATP: Adenosintrifosfato Legami ad alto contenuto di Energia: 30 kJ/mol Adenosina + Ribosio

20. Processi energetici Tre processi fondamentali: processo energetico che immagazzina energia Fotosintesi: Glucosio Ossidazione: Processi biochimici esoenergetici Fermentazione: Etanolo

21. A volte la vita è proprio dura! Battero Aerobico che ottiene l’energia necessaria dalla ossidazione del ferro e dello zolfo 1.3-4.5 Ph T 30-35 C 1.0 m Dimensioni Thiobacillus Ferrooxidans

22. 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

23. Albero Filogenetico e progenitore comune procariota Eukariota

24. Metanococcus CO2, H2, T 50°-86° Alobacterium 5M/Litro di NaCl • ESTREMOFILI • Archebatteri Sulfolobus Ph 1-5, T 65°-90° Strain-121 T 121° (14/8/2003)

26. Vita nel Pre-Cambriano Procarioti Formazioni ferrose Accumulo di Ossigeno libero Eucarioti Vita multicelluare CO2 O2  CO2O2  Animali molluschi Umani Formazione Crosta Piante e fiori 4 Gya 3 Gya 2 Gya 1 Gya Dinosauri e Uccelli Trilobiti Esplosione Cambriana

27. 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

28. 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

29. 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)

30. 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

31. 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 emessa a 450 C Estremofili, per es.: Strain 121 Acqua riscaldata a 1000C

32. Orgine della vita: panspermia • 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). Meteorite di Murchison

33. Alcuni esperimenti Esobiologici Studio della chimica del S.S. con relazione all’origine della vita resitenza precursori biorganici alle condizioni dello spazio AMINO ISS EXPOSE ISS EXPOSE Comportamento di spore, batteri e funghi mischiati con polvere meteoritica SPORES Comportamento di amminoacidi, basi azotate e acidi nucleici esposte a variazioni di T e radiazione Ionizzante (UV e gamma) ROSE/PUR ISS EXPOSE Esposizione di batteri a condizioni estreme nello spazio BIOPAN BIOPAN Esposizione di amminoacidi alle condizioni dello spazio PERSEUS MIR

34. 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