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Planetologia Extrasolare Quale vita?

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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

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Presentation Transcript
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Planetologia Extrasolare

Quale vita?

R.U. Claudi

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Incursione nella biologia

Abitabilità intorno al Sole ed altre stelle

Ricerca della vita

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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
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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

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…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

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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

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… in soluzione acquosa

Evoluzione

Reazioni Chimiche

Soluzione

Solido

Liquido

Troppo lente

Alcoli

Idrocarburi

CH4

Acqua

NH3

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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

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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)

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…insomma:

Sistema vivente, basato sulla chimica del carbonio e che utilizza l’acqua come solvente per le reazioni chimiche…

RICORDA QUALCOSA?

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Strutture fisiche basate sulla chimica organizzate in macromolecole lineari

Acido Peptico Nucleico (PNA)

p-RNA

Palad

PaladThy

Bibl.:Maurel M.C., 1999

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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

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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

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L’acido desossiribonucleico (DNA)

1 zucchero (desossiribosio)

1 gruppo fosfato

1 base azotata

nucleotide

Pirimidine

Purine

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…e la Sintesi Proteica

Nessuna informazione

formazione

Trascrizione

Decodifica

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Corrispondenza tra amminoacidi etriplette

Start: AUG (in m-RNA)

Stop: UAA; UAG,UGA (in m-RNA)

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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

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Processi energetici

Tre processi fondamentali:

processo energetico che immagazzina energia

Fotosintesi:

Glucosio

Ossidazione:

Processi biochimici esoenergetici

Fermentazione:

Etanolo

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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

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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
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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)

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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

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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

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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
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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)
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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
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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

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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

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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

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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
ad