Appunti di Botanica Generale

Il tempo biologico

Quest'immagine è una rappresentazione della vita sulla Terra dalle origini del pianeta fino al giorno d'oggi. Viene rapportata la lunghezza temporale in un giorno, così da riuscire a capire le misure di cui abbiamo un'esperienza sensibile (sappiamo cos'è un giorno, un anno, 10 anni). Pensare a una cosa di secoli fa è una cosa vecchia si studia, ma non è un'esperienza sensitiva, non percepisco sensibilmente. Una maniera pratica/funzionale per percepire quello che è più vecchio da quello che è meno vecchio sentendolo un po' più percepibile nella nostra esperienza quotidiana è rapportare in scala con una misura che conosciamo; un giorno lo conosciamo, poiché sappiamo quando è mattina, pomeriggio e sera.

È un orologio diviso in 24 parti (le ore), oggi è mezzanotte, invece, quando si è formato il pianeta Terra era minuto 0. Tutto quello che riguarda le prime 2 ore e 20 non lo sappiamo e non lo possiamo sapere misurando oggetti che siano così vecchi, perché le rocce del pianeta Terra più antiche che si possono studiare sono dalle ore 2 e 20. Se parliamo degli organismi viventi, i fossili più antichi (cellule procariotiche), siamo più o meno alle ore 5 e 15 del mattino. I primi fossili degli organismi fotosintetici (piante) sono abbastanza vicini ai primi fossili in assoluto, cioè tra i primi fossili che si conoscono quelli che con certezza facevano fotosintesi, compaiono alle 6 del mattino. Andando più avanti, tra l'inizio della fotosintesi e la disponibilità dell'ossigeno disponibile nell'atmosfera passa un quarto di giornata (dopo pranzo).

I fossili più antichi che con certezza sono cellule eucariote compaiono nel tardo pomeriggio, prima del tramonto tra le 17 e le 18. La maggior parte della nostra giornata è occupata da organismi diversi di quelli che abbiamo a portata di mano, diversità pluricellulare è qualcosa che compare recentemente nel pianeta Terra. I più antichi fossili pluricellulari compaiono alle 20. Le piante terrestri, quelli che siamo abituati a vedere da vicino, compaiono un po' prima delle 22. Le piante a fiore un po' prima delle 23. I dinosauri (scala che parla di vegetali, quindi non c'è diversificazione del regno animale) compaiono dopo le piante a fiore o quasi contemporaneamente. L'homo sapiens compare alle 23 e 59 e 30 secondi.

Come compaiono questi organismi vegetali?

Cosa sappiamo della loro comparsa e la loro diversificazione?

<-- Esperimento di Miller. In questo esperimento si è dimostrato che si poteva partire da composti inorganici e in condizioni chimico-fisiche particolari questi si potevano trasformare in composti organici che sono quelli alla base della costituzione delle cellule. La prima domanda era: “L’origine della vita, cosa e come ha iniziato?”

Il punto è: una cellula si divide in due cellule, un organismo si riproduce per dare un altro organismo, la diversificazione della specie deriva da processi evolutivi, processi di modificazione della struttura dell’organismo che possono portare all’allontanamento, alla diversità tra individui, tra specie, tra ordini tassonomici ecc. Ma per quanto indietro si possa andare da dove è venuta fuori la prima cellula? Sono domande che rimangono inspiegabili attraverso speculazioni, perché non si hanno prove concrete.

Molto spesso nella scienza si formulano ipotesi con i dati disponibili e queste ipotesi sono più o meno attendibili in base alla quantità di dati che si hanno a disposizione, però è anche vero che su fatti molto antichi i dati a disposizione sono pochi, quindi la speculazione è tanta. Ma non bisogna smettere di ragionare, anche se è chiaro che alcune ipotesi possono essere tirate a caso. La scienza cammina per ipotesi supportate da dati che poi vengono confutate lì dove ci sono maggiori dati che confermano questi ipotesi o che vanno contro, quindi si può sbagliare o no. Man mano che si aumentano le informazioni si può capire se un’ipotesi è corretta o se è corretta, ma richiede correzioni o se quell’ipotesi è sbagliata e quindi viene abbandonata. Lo scienziato è quello che parla, esprime ipotesi su dati reali in buona fede; nel momento in cui lo scienziato ha dati nuovi a disposizione e cambia idea non è volubilità, ma aggiornamento.

Esperimento di Miller

Questo esperimento partiva da un presupposto sbagliato, cioè la composizione dell’atmosfera terrestre primordiale e si supponeva fosse composta da idrogeno, molecole d’acqua, metano ed ammoniaca; questi gas iniettati in una camera con scariche elettriche, l’acqua che arrivava, uno schema di condensazione solo che i prodotti in questa fase la maggior parte erano gas, che venivano raffreddati e condensati in una camera di raccolta. Ed il risultato era che in questa camera di raccolta comparivano, con condizioni che si presumevano fossero quelle di un pianeta primordiale (scariche elettriche, fulmini ed attività vulcanica), comparivano amminoacidi e altri composti organici, ovvero molecole base degli organismi viventi a partire da idrogeno, metano ed ammoniaca.

La composizione dell’atmosfera oggi non è proprio quella, c’è l’anidride carbonica che prima non contemplavano, l’azoto ecc. Ma il punto non è questo se hanno indovinato o meno, ma questo esperimento è importante perché si è dimostrato che se le condizioni dell’ambiente chimico-fisico in cui specie chimiche reagiscono è diverso, si possono formare composti organici. Qualcosa che noi in ambienti comuni non vediamo avvenire, in situazioni di forte energia libera, in condizioni di pH alterato, scariche elettriche e disponibilità di energia massima, alcune reazioni possono avvenire. Quindi non è assurdo che la vita si sia generata spontaneamente a partire da molecole di composti inorganici disponibili nel pianeta. Questa è l’ipotesi in questo momento più attendibile, un’ipotesi alternativa è che le molecole organiche della vita siano arrivate attraverso un asteroide, portando la vita dallo spazio.

Sviluppo della vita cellulare

Supponendo le cellule si siano create da composti inorganici, nel momento in cui si producono composti organici, non è ancora vita, ma si devono creare le cellule. La vita come la conosciamo adesso nella maggior parte delle situazioni prevede un’organizzazione cellulare (maggior parte perché conosciamo in questo momento 2 forme di vita non cellulari, come i virus sono forme di vita avanzate che hanno perso la struttura cellulare o forme di vita parallele che hanno seguito un percorso diverso. I prioni sono oggetti fisiologici di alcune malattie, sono proteine, che d un certo punto in un certo momento in certe situazioni questa comincia a funzionare male e comincia ad autoreplicarsi), ma se leviamo i virus e i prioni tutte le forme di vita sono organizzate in cellule di tipo differente, ma cellule.

Quindi se parliamo di origine della vita dobbiamo capire come si sono formate le cellule nel pianeta Terra. Le cellule sono tutte delimitate almeno da una membrana lipidica, o meglio lipoproteica, c’è nella maggior parte dei casi un doppio strato fosfolipidico con delle molecole di natura lipidica con delle code idrofobiche attaccate a delle teste idrofile. La maggior parte delle cellule sono delimitate da membrane fosfolipidiche quindi un gruppo fosfato attaccato a due code di acidi grassi. Queste in acqua si dispongono accoppiando la parte idrofoba che respinge l’acqua ed esponendo le teste idrofile affini all’acqua verso l’acqua stessa. In alternativa, queste sostanze si possono disporre in maniera circolare, creando all’interno un ambiente totalmente idrofobico. Si chiamano liposomi, utilizzati nelle industrie per veicolare sostanze idrofobiche, farmaci.

Quindi in un ipotetico prodotto primordiale (oceano primordiale in cui c’erano sostanze che si andavano via via costituendo), in qualche modo si sono costituite queste molecole di natura lipidica che spontaneamente vanno a delimitare delle cellette con acqua dentro e acqua fuori, acqua dentro significa che c’è un ambiente idrofilo all’interno di questa membrana che si separa dall’ambiente esterno nel quale si possono accumulare sostanze e possono cominciare a comparire processi biochimici che potrebbero essere alla base della vita sulla Terra. Si parla sempre di prodotto primordiale di oceani perché la superficie scossa del pianeta Terra senza l’atmosfera che abbiamo adesso era con certezza sterile; senza lo strato di ozono che necessita di un accumulo di ossigeno sulla Terra arriverebbero e arrivavano radiazioni potenti ionizzanti, non ionizzati, ultravioletti, ma anche raggi molto più potenti dallo spazio, dal Sole, che pulivano/sterilizzavano qualsiasi tentativo di vita.

Un’altra struttura che si deve formare per costituire una cellula oltre la delimitazione di membrana sono le strutture proteiche, le nostre cellule funzionano attraverso una serie di strutture prevalentemente di natura proteica, quindi con gli amminoacidi che prevalentemente si potrebbero essere formate a partire da sostanze inorganiche in qualche modo si devono organizzare strutture più complesse, in catene di amminoacidi che formano catene proteiche che si organizzano tra di loro rispondendo in base alla loro maggiore o minore affinità con l’ambiente acquoso per organizzare strutture solide che diventano superficio macchinari che possono essere...

Quindi potenzialmente le cellule si potrebbero essere formate così spontaneamente per formazione di molecole organiche ed aggregazione spontanea di queste molecole organiche in ambiente acquoso. Le nostre cellule però non sono fatte solo di strutture, ma anche di acidi nucleici che più o meno funzionano secondo un meccanismo complesso con degli acidi nucleici che dirigono le attività e conservano queste informazioni per dirigere queste attività. In tutte le cellule in questo momento è presente un DNA che conserva l’informazione, quando la cellula si duplica lo passa alle cellule figlie e che dirige le attività metaboliche delle cellule producendo il suo scudiero che è l’RNA che si sposta nel resto della cellula, nel citoplasma e dirige la sintesi proteica.

Le proteine sono le strutture funzionali o strutturali che siano enzimiche che fanno avvenire processi biochimici o che siano strutture vere e proprie che reggono l’impalcatura della cellula, ma fondamentalmente tutte le attività della cellula passano attraverso proteine. Questo percorso per cui c’è un DNA che si può replicare e contemporaneamente può trascrivere un RNA sintetizzato, questo si sposta nel citoplasma e dirige la sintesi proteica, traduce le informazioni del DNA in proteine è quello che una volta si chiamava il dogma centrale della biologia. Man mano che gli studi sono andati avanti si è visto che tutte le strutture biologiche funzionano così, come i virus, ma ci sono anche RNA che funzionano come enzimi (ribo-enzimi) ecc. Ci sono virus che hanno un genoma a RNA che funzionano o senza DNA o semplicemente l’RNA copre il DNA. Ma la cosa fondamentale che il dogma centrale della biologia che si osserva in tutte le cellule quasi esclusivamente con delle alternative che erano viste nel caso delle cellule acquatiche come eccezioni, anche se in realtà eccezioni non sono, ma ci sono più percorsi che si sono mantenuti nell’evoluzione della cellula. Il signor che ha usato la parola dogma è Crick, fondamentalmente non voleva usare quella parola, poiché dogma significa che è quella non si può discutere e non è sbagliata per definizione, quindi è sbagliato usare questa parola nel caso della scienza, perché tutto nella scienza deve potersi discutere. Crick voleva solo dire che era un’ipotesi importante perché gli sembrava che funzionavano realmente in quel modo le cose però forse ha sbagliato a dire dogma. Quindi la parola dogma non c’entra nulla.

Evoluzione della vita sulla Terra

Tornando all’evoluzione della vita sulla Terra il problema è che si è visto da un lato si devono formare le cellule, membrane e dall’altro lato gli acidi nucleici e si è instaurato questo percorso che ha portato alla strutturazione del DNA, RNA e della sintesi proteica, ma è un meccanismo macchinario estremamente complesso che per essersi evoluto ha richiesto sicuramente una serie molto alta di esperimenti, di prove di molecole di percorsi dei quali a noi non è rimasto nulla.

Quindi non è detto che la vita si sia evoluta da un solo percorso evolutivo che ha portato alla strutturazione del DNA, RNA e sintesi proteica, ma magari diverse forme di vita molecolare si sono in qualche modo evolute e poi secondo un processo di selezione naturale ne è rimasta alla nostra conoscenza e agli organismi viventi soltanto una che è quella che ha portato alle cellule come le conosciamo noi. Per esempio si ipotizza che prima della vita a DNA si possa essere sviluppato una serie di linee evolutive di esperimenti di organismi viventi con una vita a RNA, dove la molecola di RNA era centrale nelle cellule era l’acido nucleico di queste ipotetiche cellule tRNA e contemporaneamente funzionava duplicandosi, ma anche come catalizzatore delle attività biochimiche.

Ci sono tutt’ora nelle nostre cellule molecole di RNA che funzionano da enzimi, da ribo-enzimi, che catalizzano le vie metaboliche. In qualche modo alcune delle funzioni di questo RNA per entrare in competizione con le funzioni delle proteine quelle enzimatica, in competizione con il DNA da depositario dell’informazione genetica e di principale acido nucleico delle cellule, in questa evoluzione a un certo momento si è selezionato che la maggior parte delle attività enzimatiche sono a carico delle proteine e la maggior parte dei regni viventi conservano la loro informazione genetica nel DNA piuttosto che nell’RNA, poiché il DNA è una molecola molto più stabile dal punto di vista chimico-fisico e l’RNA è rimasto come ponte tra le due strutture e ha mantenuto alcune delle sue funzioni da ribo-enzima o da depositario dell’informazione genetica in processi specifici o in organismi specifici, per esempio i virus.

Si formano le cellule e le molecole strutturali e funzionali che più o meno conosciamo. I più antichi fossili degli organismi viventi che oggi conosciamo sono dei fossili microscopici, e se parliamo proprio di prove e non di speculazioni, le prove dell’origine della vita consentono di datare l’origine stessa a 3 miliardi e mezzo di anni fa. Ovviamente se il primo reperto fossile e di 3,5 miliardi di anni fa (3,5 Ga = Giga annum, significa 9¹⁰ anni dal presente), non diciamo che la vita è iniziata 3,5 Ga, ma sicuramente prima.

• Stramatoliti: Sono lastre fossili viventi, per vederle in questo momento bisogna andare in Australia, sono concrezioni prevalentemente calcaree formate da depositi, da una pellicola di cellule di microorganismi viventi che cresce, si moltiplica, metabolizza i composti minerali dell’acqua e deposita carbonato di calcio e intrappola sedimenti, sabbia, cellule morte e va via via a costruire queste colonne. Si ha uno strato superficiale costituito prevalentemente da batteri eterotrofi e autotrofi, batteri che fanno fotosintesi, prevalentemente del gruppo dei cianobatteri; questi fanno fotosintesi producono zucchero che fanno mangiare gli eterotrofi e sono organismi aerobici. Questi microorganismi negli strati più bassi si vengono ad accumulare via via cellule morte e microorganismi che vivono in ridotta disponibilità di ossigeno, organismi anaerobi. Stesse strutture si ritrovano nei fossili più antichi che conosciamo del pianeta Terra. Sono un tipo di forma biologica molto antiche e complesse da essere sopravvissute.
• Microfossili: È un termine abbastanza genetico per indicare tutte le volte che in un reperto fossile si trovano delle strutture microscopiche che per ogni certezza si possono attribuire ad organismi viventi, quindi si riconosce una struttura cellulare. Chiaramente sono piccole e sono fossili e quindi non sempre è chiaro che tipo di struttura cellulare sia, se procariotica o eucariotica per esempio. Si stima che le prime forme di vita siano procariotiche e che quelle eucariotiche siano venute dopo, ma in realtà sul singolo microfossile non è sempre facile da distinguere.
• Composizione isotopica del carbonio: Il carbonio è l’elemento alla base di tutte le forme viventi e di tutte le forme di molecole organiche. In natura si trova in tre forme isotopiche:
  • Il carbonio 12 che è la forma più comune e stabile;
  • Il carbonio 13 è la forma meno comune, ma stabile;
  • Il carbonio 14 è quello radioattivo, che decade spontaneamente in 50000-60000 anni, e che si usa per la tracciatura dell’antichità di molte strutture biologiche.

N.B. Quando si parla di misurazione della durata dell’antichità, dell’età di un reperto fossile con il carbonio 14 si parla di cose in tempi geologici recenti, poiché decade in 50000-60000 anni, quindi in queste cose non c’entra. Se io parlo di tracciabilità, di datazione delle rocce di reperti fossili che riteniamo primi esperimenti di vita sulla Terra parliamo di bilanciamento tra carbonio 12 e carbonio 13.

Che cos'è la rubisco?

La fotosintesi ci dice che le piante assorbono anidride carbonica dalla luce e producono zucchero, acqua e ossigeno. Per assorbire la CO₂ e trasformarla in zucchero c’è un percorso enzimatico con una serie di enzimi e di composti intermedi che legano la CO₂ e la fanno diventare molecola organica parte di uno zucchero. Il primo enzima che acchiappa CO₂ e la attacca alla molecola organica, è un enzima che si chiama rubisco, il primo enzima chiave della fotosintesi, quello che organica la CO₂ che fa entrare il carbonio inorganico in una molecola organica.