Riassunto esame Astrobiologia, Prof. Galletta, libro consigliato Astrobiologia: le frontiere della vita, Galletta

Democrito e le origini dell’atomismo

Democrito (460-370 a.C.) sosteneva che tutto l’Universo fosse composto dalle stesse particelle elementari eterne e immutabili, gli atomi.

I seguaci di Democrito furono:

Epicuro (341-270 a.C.) parla di un Universo in cui un numero infinito di atomi possono formare o infiniti mondi.

Lucrezio (I secolo a.C.), contemporaneo di Giulio Cesare, parte dall’idea che il Cosmo sia composto da particelle eterne e immutabili che si associano e si scompongono a formare tutte le cose. Dice che la vita, formata da atomi, è presente in tutto l’Universo. De Rerum Natura.

Aristotele (384-22 a.C.) non la pensa come Democrito, sosteneva che tutti gli elementi naturali tendono verso un centro del moto. Terra -> suolo, fuoco -> cielo, acqua e aria in mezzo.

Negava l’esistenza di altri mondi, diceva che se ci fossero altri mondi terra e fuoco tenderebbero verso più di un centro del mondo.

Nascono le religioni monoteiste e si afferma l’esistenza di “verità scritte” per combattere le centinaia di credenze politeiste o animiste preesistenti. Il rischio da evitare è che nuove idee sulla natura possano togliere validità alle scritture sacre.

Nel medioevo scoppia una supernova e il mondo Cristiano e Arabo sembra ignorare l’accaduto che viene descritto come una luna piena. L’unico scritto a riguardo è nel 1054, Cronaca Rampona.

Dopo il medioevo

Nicolò Copernico (1473-1543) sostiene che la Terra non è l’unico centro del moto.

Galileo Galilei (1564-1642) sostiene che è possibile scoprire la struttura dell’Universo con le osservazioni e gli esperimenti.

I loro libri vengono vietati e Galileo abiura, dice che si è sbagliato, poi viene condannato.

Giordano Bruno (1540-1600), monaco, contestava Aristotele sostenendo che la grandezza divina e la perfezione della natura non potessero manifestarsi se non in un numero infinito di cose presenti nell’universo. De l’Infinito, Universo e Mondi. Viene incarcerato per anni e poi condannato al rogo (Inquisizione).

Dopo la nascita del metodo scientifico sperimentale definito da Galileo e l’affermarsi delle idee nate con la rivoluzione francese, numerosi filosofi e scienziati sostennero i loro scritti; come Cartesio, Huygens, Voltaire.

Charles Darwin (1809-1882) introduce l’idea di una vita che può trasformarsi ed evolvere da organismi semplice verso organismi più complessi, formando specie diverse di animali e piante tramite il meccanismo della selezione naturale. L’origine delle specie. Lui fa il giro del mondo trovando diverse specie e deducendo che se i discendenti hanno caratteristiche diverse dai loro padri e uno di essi ha caratteristiche che lo favoriscono nella vita, la sua discendenza avrà maggiori probabilità di sopravvivere rispetto a quella degli altri. La teoria darwiniana viene contrastata anche attualmente perché va contro l’idea di creazione divina e viene ritenuto immorale la discendenza con animali.

Negli stessi anni che Darwin studia l’evoluzione, la spettroscopia nell’Astronomia mostra che nelle stelle e nell’intera Galassia si trovano diffusi gli stessi elementi chimici della Terra.

Louis Pasteur (1822-1895) dimostra con i suoi studi che la vita non può generarsi spontaneamente dalle cose inanimate.

Gregor Johan Mendel (1822-1884), abate, dimostra che i caratteri ereditari sono trasmessi tra generazioni, questi vengono chiamati geni.

Panspermia: idea che i “semi” della vita siano sparsi per l'Universo, e che la vita sulla Terra sia iniziata con l'arrivo di detti semi e il loro sviluppo.

Panspermia diretta: idea della vita trasmessa da un pianeta all’altro volontariamente tramite navi spaziali. Questo perché alcuni notano che la vita ha componenti diversi da quelli presenti dalla Terra.

Il problema di Marte

Lo studio diretto del pianeta Marte inizia verso il 1883. L’astronomo Giovanni Schiapparelli (1835-1910) dall’Osservatorio di Brera scopre dei canali sulla superficie, linee sottili e diritte. Nota che la posizione dei canali cambia nel corso dei mesi.

Successivamente un altro astronomo, Flammarion, pensa che questi canali siano opere di qualche civiltà. Il biologo Alfred Wallace calcola la temperatura superficiale, -35°, concludendo che Marte è troppo freddo per ospitare la vita.

Percival Lowell, un uomo ricco che si fa costruire il proprio osservatorio privato, riprende le osservazioni di Schiapparelli confermando la presenza di canali che nomina canals (vie d’acqua artificiali create per la navigazione) anziché channels (percorso naturale creato da un flusso d’acqua).

Guglielmo Marconi si interessa alla faccenda e scopre dei segnali radio a una frequenza di 2 MHz che potrebbero venire da Marte. Nel 1922, con Marte vicino alla Terra, durante una traversata atlantica, insieme a sua figlia, cerca senza successo di captare dei segnali dal pianeta.

In realtà questi canali sono solo un’illusione ottica dovuta alla morfologia del pianeta, negli anni 60 le sonde scoprono una superficie di vulcani spenti e grandi deserti.

Haldane e Oparin propongono nel 1923 che la vita non sia un fenomeno speciale ma bensì una diversa combinazione di proprietà chimiche, nata da molecole organiche che formano il brodo primordiale.

Cocconi suggerisce di usare i radio telescopi per cercare segnali radio di civiltà extraterrestri e, insieme a Morrison, pubblicano un articolo dove dicono che possiamo scoprire una civiltà che invia segnali radio a grandi distanze ma per cercare molecole bisogna andare sul posto.

Frank Drake (1930-) nel 1961 sviluppa un'equazione statistica per calcolare il numero di civiltà extraterrestri nella Via Lattea in grado di comunicare.

Iniziano vari progetti come SETI e OZMA. Nel 1974 viene trasmesso il primo messaggio radio terrestre verso probabili civiltà extraterrestri.

Joshua Lederberg (1925-) premio Nobel per la Medicina 1958, nel 1960 su Science conia il termine di Esobiologia.

Si scoprono forme di vita in ambienti estremi come nell’acqua sulfurea bollente sul fondo degli oceani, negli abissi marini freddi e oscuri, nel ghiaccio, nel sottosuolo a 1000 atm, nel vuoto e sotto i raggi UV.

Vita ed esseri viventi

Il concetto di vita non ha una spiegazione unica. Tale problema è estremamente complesso perché un criterio può essere troppo largo (può farci credere vivi processi chimico-fisici non biologici) o troppo stretto (può farci trascurare forme di vita dannose o utili), non basta dire che un essere vivente nasce, cresce e si riproduce.

La vita è un fenomeno che trascende il singolo individuo. Una specie vivente è composta da un insieme di individui che sviluppano alcune funzioni come:

• Metabolismo -> assorbimento e produzione di materia ed energia. Proteine.
• Individualità -> distinzione dall’ambiente esterno. Lipidi.
• Riproduzione -> replicazione con varianti. Acidi nucleici.

Acqua

• Molecola polare.
• Solvente -> scioglie i legami.
• Indebolisce l’attrazione tra ioni o molecole polari.
• Forma uno strato carico intorno alle molecole -> solvatazione.
• Forma legami a idrogeno -> dipolo.

Le interazioni possono essere:

• Carica-dipolo -> solvatazione degli ioni.
• Dipolo-dipolo -> solvatazione delle molecole polari.
• Van der Waals -> determina la distanza tra le molecole non interagenti con altre forze più intense.

Essa forma legami a idrogeno anche con se stessa. Ciò fa sì che l’acqua sia liquida a Tamb e Patm. A T basse si formano strutture cristalline.

• L’acqua solida è meno densa di quella liquida quindi rimane in superficie. Ciò fa sì che la vita continui al di sotto.
• Aspetto statico -> stabilità di strutture biologiche.
• Aspetto dinamico -> se fosse stabile alcune trasformazioni non potrebbero avvenire.

Polimero

• Catena di monomero:
  • Condensazione -> aggiungo un monomero e ricavo acqua.
  • Idrolisi -> aggiungo acqua e ricavo un monomero.

Proteine

• Funzione metabolica e catalitica.
• È un polimero fatto dall’unione di amminoacidi (monomero). La catena laterale definisce l’amminoacido -> possono contenere carbonio e/o idrogeno ma anche azoto e zolfo.
• Numerose funzioni:
  • Catalisi di processi metabolici (riproduzione, produzione di energia).
  • Trasporto di sostanze (pompe).
  • Indispensabili nel metabolismo e nella riproduzione dei viventi.

Tali funzioni derivano dalla loro struttura:

• Primaria -> sequenza di amminoacidi. Costituita da un numero di amminoacidi detti residui (min 30, max 26962). a-elica b-foglietto.
• Secondaria -> disposizione nello spazio.
• Terziaria -> ripiegamento nello spazio. Solo in presenza di acqua liquida.
• Quaternaria -> raggruppamenti. Associazioni di più catene polipeptidiche (catene di proteine avvolte e raggruppate in gruppi).
• Particolarità terrestre della vita: le proteine utilizzano solo una combinazione di 20 amminoacidi standard.

La configurazione degli amminoacidi derivanti dalle proteine biologiche è di tipo L. La struttura levogira in genere polarizza la luce verso sinistra, ma ho le eccezioni (verso destra).

• Chiralità -> proprietà di non essere sovrapponibile alla sua immagine speculare (nelle 3 dim).
• Enantiomeri -> differenti disposizioni dei gruppi atomici. L e D.

Acidi nucleici

• Funzione informativa.
• Pirimidine: anello esagonale. 3 principali:
  • Timina.
  • Citosina -> presente nel DNA.
  • Uracile -> sostituisce timina in RNA.
• Purina: anello esagonale + pentagonale. 2 principali:
  • Adenina.
  • Guanina.
• Basi azotate: molecole che caratterizzano gli acidi nucleici.

Si legano ad uno zucchero (nucleoside) fatto da 5 atomi di carbonio (pentoso):

• Ribosio RNA.
• Deossiribosio DNA (manca un ossigeno).

Che a sua volta si lega all’acido fosforico formando un nucleotide. Il fosfato si può legare ad altri fosfati formando ADP (2) e ATP (3). ATP -> presiede al meccanismo di trasporto dell’energia nel metabolismo degli esseri viventi.

• I nucleotidi si possono legare tra loro tramite il fosfato e possono formare polimeri detti acidi nucleici (es. RNA).

Le basi si legano tra loro due a due, si possono ricostruire in caso di rottura. Adenina con Uracile/Timina, Citosina con Guanina; generando così due filamenti accoppiati in sequenza tra loro. La sequenza delle basi non è regolare e ciò permette di trasmettere informazioni.

• Non informazionali:
  • Omopolimeri: ripetizione di un solo polimero.
  • Eteropolimeri regolari: i polimeri non si ripetono vicini.
• Informazionali:
  • Eteropolimeri aperiodici: si ripetono due polimeri vicini.
• La trascrizione della sequenza degli acidi nucleici è veicolata da proteine che catalizzano la reazione -> enzimi.
• Enzima -> un primo enzima elicasi separa i filamenti mentre il DNA-polimerasi attacca da una parte un nuovo filamento. Dall’altra parte piccoli segmenti detti frammenti di Okazaki contengono un primer (innesco di DNA). Alla fine si ottengono due DNA identici. Replicazione molecolare.
• Sono in grado di codificare le proteine: utilizzano un filamento di RNA leggendolo a 3 a 3 -> si attaccano ad amminoacidi -> proteine. Si allineano gli amminoacidi fino alla sequenza di stop.
• Il legame che esiste tra la tripletta e l’amminoacido è uguale per tutti -> Codice Genetico.

Non tutto il DNA codifica, solo zone denominate esoni (2.7% codifica nell’umano); gli introni sono invece le parti che non codificano.

Gli acidi nucleici codificano le proteine e le proteine duplicano gli acidi nucleici. Tutto ciò è protetto da una membrana di lipidi e proteine altrimenti sarebbe distrutto nell’ambiente esterno. Membrane lipidiche codificano Molecole informazionali Molecole catalitiche sono necessarie per la sintesi.

• Gli acidi nucleici si trovano all’interno delle cellule, raggruppati a formare i cromosomi. La parte esterna dei cromosomi (estremità) è protetta da una sequenza ripetuta di DNA e da proteine -> telomeri (non codificanti).

Tale sequenza durante la replicazione non viene totalmente duplicata quindi lascia una gap quando tolgo il primer. I telomeri vengono ricostruiti dall’enzima telomerasi.

Lipidi

• Funzione di isolamento.
• Hanno un’estremità idrofila (interagisce con l’acqua) e una idrofoba (evita l’acqua).
• Non sono polimeri e possono unirsi formando una membrana con doppio strato lipidico.
• Immerse in acqua possono formare vescicole o micelle che isolano le altre molecole dall’acqua.
• Sono alla base di pareti cellulari dove si trovano unite a proteine che ne regolano la permeabilità.

Virus, virusoidi, viroidi, prioni e nanobi

I virus (20-400 µm) sono costituiti da acidi nuclei che possono essere avvolti da una proteina o da una membrana composta da più proteine. Propriamente non viventi, non sintetizzano le proteine. Non hanno le informazioni genetiche che codificano l’apparato in modo da avere ATP e la sintesi proteica. Possono avere forma a bastoncello o sferica. Le particelle virali sono dette virioni, essi non crescono e non vanno incontro a divisione. Senza batteri e cellule non avrei virus.

Virusoidi (o RNA satelliti) sono filamenti di RNA formati da 300-400 nucleotidi. Richiedono un altro virus che fornisce loro la proteina per la duplicazione, altrimenti non possono riprodursi.

Viroidi (o virus delle piante, perché specialmente nelle piante) sono filamenti nudi di RNA con 250-350 nucleotidi. Costituiti da un singolo filamento rinchiuso come anello e possono riprodursi da soli. Non producono proteine.

Prioni costituiti da una proteina, sono più piccoli dei virus e hanno particelle infettive proteinacee. La struttura a-elica b-foglietto, struttura a si trasforma in ciò può succedere a causa di mutazione o per contatto tra una proteina patogena e una fisiologia. Essa codifica se stessa alterando le altre, molto resistenti al calore e agenti chimici. Generano alcune malattie sia nell’uomo che nell’animale.

In Astrobiologia sono interessanti perché sono proteine in grado di trasferire l’informazione contenuta in esse senza il concorso di acidi nucleici.

Nanobi sono più piccoli dei virus, sono visibili al microscopio attaccati a rocce che si muovono in gruppo.

Cellula

• La più piccola porzione organizzata di materia che possiede le caratteristiche della vita.
• Si autoregola.
• Si può evolvere.
• Si riproduce.
• Scambia materia, energia e informazioni con l’ambiente.
• 2 tipi:
  • Cellula eucariota: ha una membrana plasmatica che avvolge il citoplasma + sottostrutture.
  • Cellula procariota: ha una parete cellulare che copre una membrana plasmatica che copre a sua volta un citoplasma; DNA fluttuante nel citoplasma.

Questi due tipi hanno entrambi una membrana plasmatica, un citoplasma, del DNA, una regione nucleare e i ribosomi.

• Le cellule eucariote vegetali sono più grandi di quelle animali -> hanno i cloroplasti e un vacuolo.

Cloroplasto: hanno una membrana interna ed esterna, hanno un proprio genoma e un loro metabolismo. Fanno la fotosintesi ovvero la trasformazione della luce solare in energia chimica del glucosio.

• Se le membrane fossero lipidiche al 100% non permetterebbero il passaggio delle sostanze. Ciò avviene attraverso proteine che fanno da canali o da pompe. Le pompe assorbono sostanze utili e diffondono all’esterno quelle prodotte dalla cellula.
• Le cellule si specializzano (differenziamento) per svolgere funzioni diverse -> la morfologia dipende dalla funzione.
• Riproduzione: inizia dopo una duplicazione dei cromosomi e la duplicazione della cellula per divisione -> mitosi (cellula madre e figlia identiche).

Le cellule non sono immortali, quando entra in un regime in cui non riesce più a riprodursi va in apoptosi (morte altruista o programmata).

La sequenza riprodotta può essere casualmente diversa dalla precedente.

• Mutazione -> essa può essere favorita da agenti esterni di natura chimica o dal passaggio di particelle (raggi cosmici, particelle alfa o beta, fotoni).
• Anche generata dalla riparazione errata -> selezione naturale.
• Negli organismi pluricellulari la riproduzione avviene tramite cellule singole dotate di singoli cromosomi -> gameti. Uomo 46 cromosomi, si dimezzano nei gameti. Il crossing-over permette una grande varietà di caratteri individuali.
• Fenotipo: varietà di caratteri.
• Genotipo: codice genetico.

Queste sono strategie per la sopravvivenza.

• Selezione naturale -> Darwin.

Teorie evolutive

Teoria di Lamarck: la vita sorge spontaneamente dalla materia inanimata. Organismi diversi provengono da antenati comuni. Prima cambia l’ambiente e poi gli organismi si modificano di conseguenza adattandosi. La variazione viene trasmessa alla generazione successiva. Orientamento della variazione in senso adattivo.

Teorie di Malthus e Wallace: secondo Malthus la popolazione umana cresce in maniera esponenziale, più in fretta di quanto crescano le risorse necessarie alla loro sopravvivenza, fino ad una crisi di risorse. Secondo Wallace quando cambia l’ambiente, sono favorite le specie più adatte alle nuove condizioni.

Teoria di Darwin: 1831 fece un viaggio intorno al mondo (5 anni) raccogliendo campioni. La teoria sull’origine delle specie suscitò scandalo in ambito religioso ma fu supportata dagli scienziati.

L’evoluzione per selezione naturale si basa su 3 principi:

• Variabilità: gli individui differiscono per morfologia, fisiologia e comportamento. Creata per ricombinazione con cui si creano nuovi genotipi.
• Ereditarietà: la variazione è geneticamente trasmissibile.
• Selezione naturale: le diverse varianti producono più discendenti.