La ricerca sull’origine della vita

origine della vita
[[1996] Alcuni quesiti si trovano al centro dell’indagine scientifica, e nonostante ciò sembrano essere così inafferrabili e frustranti per gli scienziati da indurre solo pochi di loro a dedicare la propria carriera a uno sforzo apparentemente infruttuoso. L’origine della vita è certamente il prototipo di questa categoria di problemi.
Per secoli la risposta comunemente accettata era fondata sulle sacre scritture delle varie religioni. Alcune storie fantastiche furono inoltre elaborate nelle diverse culture, ciascuna delle quali chiamava in gioco una qualche entità sovrannaturale, la soluzione preferita dall’uomo ogni qualvolta non gli sia possibile identificare la chiave di un fenomeno naturale. Solamente dopo il Rinascimento la scienza occidentale lentamente e dolorosamente ha iniziato ad affrancarsi dalla religione e dalla filosofia. Ma si è dovuto attendere l’inizio del XX secolo per assistere a un tentativo razionale di spiegare il mistero estremo dell’origine della vita dalla materia inorganica.

L’ipotesi Oparin-Haldane

biochimica vita oparin
Aleksandr Oparin e Andrei Kursanov (1938).

Nel 1924, il biochimico russo Alexander I. Oparin pubblicò il primo approccio moderno allo studio dell’origine della vita. Alcuni anni dopo, nel 1929, un lavoro simile fu portato a termine dall’autorevole biologo britannico J.B.S. Haldane. Ancora oggi ci si riferisce a questi lavori pionieristici come all’”ipotesi Oparin-Haldane”, e sotto molti punti di vista essa rappresenta ancora il fulcro per la comprensione del problema.
La tesi principale proposta allora dai due studiosi consisteva nel concetto rivoluzionario secondo cui la vita aveva avuto origine attraverso un processo graduale prebiotico a livello molecolare che condusse in un primo momento all’accumulazione di molecole sempre più complesse, alla loro aggregazione, e infine all’auto-riproduzione che caratterizza lo stesso processo vitale.
I lavori pubblicati da Oparin e Haldane, nonché da numerosi altri studiosi dopo di loro, sono tuttavia poco più che speculazioni su un problema reso ancora più difficile dalla scarsità di indizi, e naturalmente dalla mancanza di testimoni… Il problema è talmente difficile da penetrare che un biochimico contemporaneo, Cairns-Smith, ha scritto di recente un libro sull’origine della vita strutturandolo come un romanzo alla Sherlock Holmes, corredando delle frasi e delle citazioni del personaggio immortale nato dalla penna di Sir Conan Doyle.

Quando ha avuto origine la vita?

Il primo quesito che qualsiasi ricerca sull’origine della vita deve affrontare è quello relativo al punto di partenza. Quando è apparso su questo pianeta il primo organismo, il primo elemento che possa essere ragionevolmente definito vivente? La soluzione non può derivare interamente dalle testimonianze fossili, benché esse rappresentino certamente un buon punto di partenza. Non è infatti possibile aspettarsi che i primi organismi si siano potuti fossilizzare, e ciò per diverse ragioni. In primo luogo, lo stesso processo di fossilizzazione, anche in condizioni ideali, non è certamente un fenomeno comune. Solamente una frazione piccolissima di tutti i biota di ogni epoca si è conservata in forma fossile.

Secondo, le condizioni all’inizio della vita sulla Terra non erano del tutto favorevoli al processo di fossilizzazione, che avviene solamente in circostanze del tutto speciali. La maggior parte dei sedimenti e delle rocce dell’epoca primordiale della Terra sono stati completamente distrutti dalle alte temperature e dall’intensa attività geologica che hanno caratterizzato gli inizi della storia del pianeta.

Terzo, le strutture che più sono potenzialmente soggette al processo di fossilizzazione sono quelle composte da sostanze dure, come le ossa o le conchiglie. Raramente è capitato che i paleontologi travassero dei resti di tessuti molli nelle rocce di qualsiasi era. Poiché non è possibile ipotizzare che i primi esseri viventi fossero qualcosa di più di semplici entità unicellulari, sarebbe senza dubbio un colpo di fortuna riuscire a scoprirne i resti.

stromatoliti origine vita fossili
800Stromatoliti vicino KübassaareSaaremaaEstonia (Wikipedia).

La Terra si è probabilmente formata circa 4,5 miliardi di anni fa, e quindi la vita sul pianeta non può certamente essere antecedente a tale data. I fossili più antichi di un essere vivente mai ritrovati risalgono a 3,5 miliardi di anni. Sono chiamati stromatoliti e rappresentano delle colonie pietrificate di cianobatteri, parenti dei moderni organismi unicellulari semplici capaci di fotosintesi (noti anche come alghe blu).

E’ necessario rendersi conto che tale ricerca, sorprendente e relativamente recente, ha rappresentato un brutto colpo per la vecchia ipotesi secondo la quale la vita aveva impiegato un tempo estremamente lungo per evolversi. Se le forme relativamente avanzate di batteri simili a questi fossero già state presenti meno di un milione di anni dopo l’origine del pianeta, ed essendo stata la Terra troppo calda per qualsiasi forma di vita nei centinaia di milioni di anni successivi alla sua formazione, ci rimane una cornice temporale di circa mezzo miliardo di anni per rendere conto delle fasi di passaggio dalla materia inorganica a quella organica. Si tratta dunque di un processo piuttosto rapido in termini geologici (per la deriva dei continenti e l’origine delle catene montuose bisogna mettere in conto una quantità considerevole di tempo).

Vi sono alcune prove indirette che la vita fosse presente sulla Terra prima dell’era dei cianobatteri, circa 3,8 miliardi di anni orsono. Tale prova deriva dall’analisi delle rocce appartenenti alla formazione Isua in Groenlandia. Gli scienziati hanno analizzato la relativa abbondanza di due isotopi del carbonio, 12C e 13C. I sedimenti popolati da organismi viventi tendono a essere caratterizzati da un diverso rapporto tra queste due forme di carbonio se confrontati con le rocce non contaminate da alcuna attività biologica. I campioni di Isua mostrano il rapporto caratteristico dei residui di organismi viventi. E’ quindi ragionevole ipotizzare che la vita si sia evoluta circa 4 miliardi di anni fa, solamente 500 milioni di anni dopo la formazione della Terra, e possibilmente soltanto un paio di centinaia di milioni di anni dopo che la temperatura terrestre si era sufficientemente abbassata per consentire l’esistenza stabile di composti organici.

In quale ambiente?

Il seguente quesito cruciale che gli studiosi della vita devono affrontare riguarda la determinazione del tipo di ambiente in cui i primi organismi si sono evoluti. Sappiamo per certo che l’atmosfera originaria del nostro pianeta non era affatto simile a quella della nostra era. Infatti la Terra è stata caratterizzata da quattro diversi tipi di atmosfera durante il corso della sua storia (vedi tabella).

La tabella riassume la composizione dei quattro tipi di atmosfera che hanno caratterizzato la storia della Terra.

composizione atmosfera gas

L’elemento più abbondante presente nell’atmosfera primordiale era l’idrogeno e numerosi dei suoi composti, ivi inclusa l’ammoniaca e il metano. Questi erano gli ingredienti del vecchio sistema solare e dei protopianeti, da cui ha avuto origine la Terra. Tuttavia, la temperatura del nostro pianeta era molto elevata, il che conferiva un’incredibile energia cinetica a questi composti leggeri.

Quando l’energia cinetica di un gas eccede la cosiddetta velocità di fuga (cioè la velocità oltre la quale la spinta gravitazionale del pianeta non è sufficiente a evitare la perdita di gas nello spazio esterno) il gas viene perso per sempre dal pianta stesso. Cioè quanto accadde all’atmosfera primordiale. Essa fu quindi sostituita da una seconda atmosfera, composta principalmente da vapore acqueo e da anidride carbonica. Tali gas venivano emessi in grande quantità dalle esplosioni vulcaniche, un fenomeno molto più frequente sulla Terra di allora di quanto non lo sia nella nostra epoca, data la vigorosa attività geologica del giovane pianeta. Le quantità enormi di vapore acqueo causarono dei temporali di dimensioni impressionanti che sortirono due effetti principali, determinanti per la successiva evoluzione delle forme biotiche: raffreddarono la temperatura della superficie terrestre e diedero vita agli oceani.
Un ulteriore risultato collegato alla formazione delle grandi masse d’acqua fu la perdita di grandi quantità di vapore acqueo dall’atmosfera stessa, che ne risultò alterata definitivamente nella sua composizione.

Il terzo tipo di atmosfera, caratterizzatasi circa 2-3 miliardi di anni fa (quando la vita già incominciava a comparire), era composto da alti livelli di anidride carbonica. Nell’attuale composizione i livelli di tale sostanza sono di gran lunga inferiori, mentre sono presenti livelli molto alti di un’altra molecola necessaria per la sopravvivenza degli esseri umani e per la maggior parte delle forme animali: l’ossigeno.

E’ interessante notare come quest’ultimo cambiamento fu probabilmente causato proprio dall’esistenza di organismi viventi. E in modo particolare dalla loro capacità di fotosintesi ossia l’utilizzo dell’energia solare per produrre zuccheri che a quell’epoca si era già sviluppata. Una delle caratteristiche biochimiche di tale processo è proprio la sua necessità di anidride carbonica (che all’epoca era abbondante) per produrre ossigeno come sostanza di scarto. Fondamentalmente, tutto l’ossigeno attualmente presente nell’atmosfera è stato prodotto nel corso delle centinaia di milioni di anni dagli organismi fotosintetici, principalmente batteri.

Il brodo primordiale

Dove ha avuto inizio il lungo percorso che ha portato alla comparsa degli organismi viventi? Molto probabilmente tale origine remota ha avuto luogo nell’acqua, poiché gli oceani primordiali contenevano tutti gli elementi necessari all’evoluzione chimica prebiotica (tale composto viene talvolta definito brodo primordiale). Inoltre è necessario considerare che all’epoca la composizione dell’atmosfera era molto diversa da quella attuale. In modo particolare, non essendo presente l’ossigeno, e quindi l’ozono, le radiazioni ultraviolette letali provenienti dal sole erano libere di raggiungere la superficie del nostro pianeta.

L’acqua, tuttavia, anche se poco profonda, rappresenta uno schermo ideale contro le radiazioni UV e può avere rappresentato un’ulteriore agevolazione nelle fasi iniziali dell’evoluzione biotica in ambiente acquatico. Questo interessante fenomeno pare confermare la tesi secondo cui gli organismi viventi abbiano avuto origine nell’oceano. La composizione dei fluidi corporali della maggior parte degli animali, incluso l’uomo, è molto simile a quella dell’acqua marina (vedi tabella). Questo può essere uno dei molti esempi di evento storico fortuito: una volta che qualcosa accade nel corso della storia della vita, non cambia a meno che non si trasformi in uno svantaggio. Tali eventi ci dicono qualcosa su un determinato percorso, tra i tanti possibili, effettivamente intrapreso dagli eventi nel corso di 4 miliardi di anni.

composizione isotopi organismi viventi

La tavola riassume la concentrazione di ioni nell’acqua marina e nei fluidi corporali di numerosi animali. Si osservi la differenza tra specie marine e specie terrestri.

L’origine della vita in laboratorio

Ciò che caratterizza la buona scienza è la possibilità di riprodurre in laboratorio, in condizioni opportune, una situazione ipotetica. Ciò significa che le nostre teorie sul sul modo in cui un determinato fenomeno si verifica in natura possono essere verificate con gli strumenti canonici del metodo scientifico. Sfortunatamente, nel caso delle origini della vita si sa molto poco sulle condizioni in cui ha avuto luogo. Inoltre, il fenomeno si è verificato solo una volta, per quanto ne sappiamo, il che significa che non possediamo elementi sufficienti sulla storia del caso specifico a cui fare riferimento nel’approccio sperimentale.

Nonostante tali limiti, gli scienziati hanno fatto alcuni progressi nel ripercorrere almeno alcune fasi che devono avere portato alla vita così come noi la conosciamo. Il primo esperimento scientifico sulle origini della vita fu condotto da Stanley Miller nel 1953 quando, ancora dottorando presso il laboratorio del premio Nobel Harold Urey, fu illuminato da un’idea semplice ma geniale. Se l’ipotesi secondo cui le condizioni primitive dell’atmosfera terrestre potevano essere ricondotte alla sintesi delle molecole fondamentali successivamente utilizzate dagli organismi viventi è corretta, dovrebbe dunque essere possibile ripercorrere il percorso naturale delle cose, sempre che vengano identificate le giuste condizioni.

In altre parole, Miller si accinse a ricostruire un modello della Terra nel suo laboratorio naturalmente semplificando un po’ le cose. Si munì di un’ampolla di vetro all’interno della quale introdusse un miscuglio di numerosi gas che si pensava potessero avere composto l’atmosfera primordiale. Come fonte di energia simulò all’interno della sfera i lampi attraverso delle scariche elettriche. Sistemò dunque dell’acqua nel fondo (il nostro vecchio “oceano”) e attese per una settimana (dopotutto, la vita non fu creata nel medesimo lasso di tempo dall’essere supremo?).

Stanley Miller e il suo storico apparato. (wikimedia).

Con grande sorpresa questa semplice riproduzione del mondo che oggi può essere ripetuto in un normale laboratorio scolastico aveva funzionato. Nella sua versione del brodo primordiale, Miller aveva ottenuto numerosi aminoacidi. Tali molecole sono dei mattoni fondamentali per la costruzione delle proteine, che a loro volta rappresentano una delle tipologie principali di biomolecole.

Analizzando i risultati ottenuti da Miller, uno dei punti chiave è rappresentato dalla possibilità di ottenere la stessa varietà di molecole organiche eseguendo altri esperimenti simili, anche se si modifica di poco la quantità relativa del gas. Ciò suggerisce che se anche le nostre stime sulla composizione dell’atmosfera primordiale sono errate di qualche fattore, lo scenario di base regge ancora, sempre che quegli elementi fossero presenti in quantità elevate.
Sfortunatamente i tentativi di riprodurre in condizioni di laboratorio le fasi successive del processo si sono rivelate molto meno soddisfacenti, parzialmente a causa del fatto che non si hanno idee molto chiare su ciò che è realmente accaduto. E’ infatti difficile avviare un esperimento se non si è sicuri di ciò che si sta verficando…

Che accadde esattamente?

Possiamo solo fare delle ipotesi sulla successione degli eventi che hanno fatto seguito alla formazione spontanea degli aminoacidi e degli altri composti organici nell’oceano primordiale. Sappiamo che la mancanza di ossigeno era all’epoca un fattore positivo. L’ossigeno è infatti un elemento estremamente reattivo e corrosivo che avrebbe impedito ai mattoni delle proteine e degli acidi nucleici, i due tipi fondamentali di biomolecole che costituiscono ogni essere vivente, di sopravvivere a lungo. In che modo i componenti distintivi degli organismi viventi si siano potuti formare rappresenta tuttavia un quesito ancora aperto. Oparin evidenziò nel 1938 che alcune semplici reazioni biochimiche possono avere avuto origine spontaneamente, semplicemente a causa della presenza degli elementi giusti al momento giusto. Proprio tale affermazione costituì la base dell’approccio sperimentale di Miller. Il calore proveniente dalle eruzioni vulcaniche, per esempio, può fornire energia termale sufficiente a legare l’acqua agli idrocarburi non saturi, creando dei composti biologicamente importanti come l’acetaldeide:

HCCH+H20 => CH3COH

Secondo Oparin queste e altre reazioni si possono verificare all’interno delle strutture che si costituiscono spontaneamente in soluzioni colloidali (quali il brodo primordiale). Tali coaguli non appaiono molto diversi dal protoplasma, la sostanza che permea le cellule. Nel 1976 Fox fu il primo a indicare che unendo molecole proteiche colloidali con la gomma arabica o con sostanze organiche simili si possono facilmente ottenere delle coacervi di goccioline, che sono fondamentalmente degli aggregati sferici di molecole capaci di galleggiare sull’acqua. Fox suggerì che quelle che egli stesso definì microsfere proteiche potessero essere le precorritrici delle membrane cellulari. L’effetto di tali microsfere fu determinante: esse avrebbero offerto un ambiente chiuso in cui i composti organici potessero interagire senza essere spazzati via. Ciò aumenta considerevolmente le possibilità che si verifichino delle reazioni chimiche.

Il successivo passo da gigante sarebbe stato fatto solamente con l’”invenzione” delle molecole auto-riproducenti. Una delle caratteristiche fondamentali degli organismi viventi moderni è la loro capacità di riprodurre una progenie simile, ancorché non identica. Ciò rende possibile l’evoluzione tramite la selezione naturale. Le microsfere proteiche, tuttavia, poterono riprodursi solo per caso, semplicemente in seguito di una loro rottura e ricostituzione ad opera dell’acqua degli oceani primordiali. Non vi erano informazioni da trasmettere poiché le proteine non sono delle molecole auto-riproducenti. Per questo esse necessitano di acidi nucleici quali il DNA e l’RNA. Le molecole autoriproducenti originarie erano probabilmente quelle dell’RNA, poiché la biologia molecolare moderna ha scoperto che alcune di esse preservano ancora delle funzioni autocatalitiche. In altre parole, possono provocare delle reazioni chimiche che le coinvolgono. In un certo senso esse agiscono sia da enzimi che da substrati. Sembra dunque logico che una molecola piccola, autocatalitica, simile all’RNA fosse, al tempo stesso, il primo organismo vivente, il primo enzima e il primo portatore di informazione. In principio il genotipo e il fenotipo era una cosa sola. Alcuni ricercatori si spingono addirittura oltre, negando l’esistenza dei coacervi di Fox, e indicando nell’acido nucleico il punto di partenza della vita dal mondo inorganico.

Quid tum?

Il vero problema delle origini della vita risiede nel fatto che nessuno ha potuto mai assistere all’evento (fatta eccezione per il personaggio QWERTY di Italo Calvino nelle Cosmicomiche). Per dirlo in altri termini, tutti gli organismi moderni, anche i più semplici funghi mucillaginosi e i batteri, sono di un ordine di grandezza molto più complesso dei loro antichi predecessori. E’ proprio per questo motivo che tale campo di ricerca è ricco di idee che poco hanno a che fare con la scienza (come quella, per esempio, secondo cui l’argilla sarebbe stato il primo catalizzatore delle reazioni organiche che tanto successo ha raccolto in alcuni gruppi cristani fondamentalisti).

D’altra parte, e nonostante i progressi relativamente scarsi compiuti successivamente al lavoro di Oparin e Haldane, la domanda in questione è una delle più basilari e affascinanti che l’uomo si sia mai potuto porre. Essa ancora oggi attrae molte delle nostre migliori giovani menti, e consente di produrre sufficiente materiale scientifico da riempire una intera rivista esclusivamente dedicata a questo genere di ricerca. Non ci rimane comunque che aspettare l’avvento di un novello Darwin che ci spieghi come tutto quanto ha avuto luogo.

Traduzione di Susi Castellino

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