10 domande e risposte sulle origini della vita

1. Quando e come è cominciato tutto?

• Quando è cominciato tutto?
  Circa 4 miliardi di anni fa, quando la Terra era ancora parzialmente allo stato fuso e pesantemente bombardata da meteore, sono comparsi i primissimi sistemi biologici.
  In qualche modo, le sostanze chimiche hanno sviluppato proprietà biologiche, sfruttando per riprodursi la materia e l’energia ricavate da quell'ambiente infernale.
  I ricercatori che studiano le origini della vita stanno tuttora cercando di capire come la chimica abbia potuto trasformarsi improvvisamente in biologia.
  Una volta nati i sistemi biologici di base, la vita non ha più smesso di progredire, evolvendosi in due differenti gruppi microbici: batteri e archei.
  Dopo qualche miliardo di anni, la fusione tra due di questi antichi tipi di cellule ha verosimilmente dato origine a organismi multicellulari più complessi, compresi gli esseri umani, le specie vegetali, i funghi e tutti gli animali mai esistiti.

• Come è iniziata la vita, esattamente?
  Purtroppo, i pareri sull’origine della vita sulla Terra sono discordanti e non seguono un modello standard.
  Tuttavia, la maggior parte delle teorie si basa sull’idea che a un certo punto della storia terrestre primordiale, le sostanze chimiche abbiano sviluppato caratteristiche comuni a tutte le cellule viventi oggi conosciute, come la capacità di autoreplicarsi o di creare ulteriori biomolecole utili.
  Una volta emerse tali caratteristiche biologiche, si è innescata una sorta di “evoluzione chimica” : le sostanze chimiche hanno cominciato a duplicarsi, talvolta con varianti che le hanno rese più o meno efficaci, o che hanno consentito loro di cooperare con le altre.
  Le varianti più efficaci si sono duplicate maggiormente, mentre le altre sono state sconfitte nella lotta per le materie prime.
  Nel corso di miliardi di generazioni sono emerse varianti più complesse che racchiudevano in una membrana i processi molecolari vitali di base.
  Queste strutture simili a cellule erano essenzialmente le prime cellule microbiche, da cui si è evoluta la vita.
  Teorie più fantasiose sostengono che la vita sulla Terra sia nata da microbi primordiali provenienti dallo Spazio.

Nella foto sotto, la testimonianza più antica delle attuali cellule microbiche risale a circa 3 miliardi di anni fa. Queste erano simili al cianobatteri. L’ultimo antenato comune a tutte le specie viventi è vissuto in questo periodo, poco prima che le cellule si dividessero in due grandi famiglie: batteri e archei.

2. Qual è la più antica testimonianza di vita sulla Terra e perché tante domande attendono ancora una risposta?

• Qual è la più antica testimonianza di vita sulla Terra?
  Le più antiche cellule mai ritrovate sono fossilizzate in rocce risalenti a un periodo compreso tra 3 e 3,4 miliardi di anni fa.
  Queste primissime cellule erano molto simili ai cianobatteri, che abbondano ancora oggi. Probabilmente erano termofile, cioè preferivano i luoghi caldi, e autotrofe, cioè trasformavano i propri composti organici complessi a partire da sostanze chimiche molto semplici.
  Ancora prima, deve essere esistito un tipo di organismo più antico da cui queste cellule si sono evolute.
  Altre prove di vita primordiale si possono ricavare dalla forma delle stromatoliti. Queste ultime sono strutture rocciose formatesi dalla sedimentazione di ampi strati di antichi microbi in mare.
  Alcune di queste, ritrovate in Australia occidentale, risalgono presumibilmente a 3,5 miliardi di anni fa, ma si sa molto poco degli organismi che le hanno create.
  La più antica prova di vita terrestre è costituita da misteriose tracce di un particolare isotopo di carbonio, che i ricercatori attribuiscono all’ attività di un organismo vivente.
  Parte di questa grafite, ritrovata anch'essa in Australia occidentale, si è verosimilmente formata 4,1 miliardi di anni fa, cioè quasi contemporaneamente alle rocce più antiche mai ritrovate sulla Terra.
  Ciò fa pensare che la vita sia sorprendentemente comparsa poco dopo la formazione del Pianeta. Ma che cosa ha lasciato queste misteriose tracce di isotopo?
  Non lo sappiamo, perché la teoria sulle origini della vita, dalla chimica della Terra primordiale allo sviluppo delle prime forme cellulari, è un rebus ancora irrisolto.

• Perché tante domande attendono ancora una risposta?
  Oltre a non esserci prove concrete da analizzare, la questione si fonda su un paradosso.
  Affinché si creino le biomolecole complesse indispensabili alla vita, sono necessarie altre biomolecole. Ma come possono essersi formate queste complicate molecole, se i sistemi biologici ancora non esistevano?
  Per esempio, il DNA non può nascere da un incidente chimico, ma necessita di enzimi specifici. Questi enzimi specifici possono, però, scaturire solo da precise istruzioni contenute nel DNA.
  Ma i problemi non finiscono qui: anche ammettendo che le molecole organiche complesse come gli enzimi e il DNA siano comparsi spontaneamente, nulla spiega perché e come abbiano iniziato a cooperare organizzandosi in un sistema.
  E come ha fatto la vita primordiale a creare le maggiori molecole organiche senza quei sistemi energetici complessi che innescano i l processo nelle cellule attuali?

Nella foto sotto, il nostro più antico antenato può essere stato una roccia porosa. Alcuni scienziati sostengono che le condizioni presenti nei camini idrotermali alcalini possono aver favorito reazioni simili al metabolismo. La reazione dei minerali alcalini con l'acqua marina concentra le sostanze chimiche nei micropori delle rocce, che possono aver agito come gli scomparti delle cellule viventi in cui si crea energia.

3. Che cos’è il “brodo primordiale” e dove può essersi ancora formata la vita?

• Che cos’è il “brodo primordiale”?
  Si sente spesso dire che la vita ha avuto origine spontanea dal “ brodo primordiale” , un brodo chimico formatosi in antichi stagni e acquitrini.
  In una lettera a un amico, Charles Darwin ipotizzò che la vita fosse nata in "qualche piccolo e tiepido stagno” , e scienziati come J.B.S. Haldane e Alexander Oparin (autore dell’espressione “brodo primordiale” ) hanno poi sviluppato questa teoria negli anni Venti.
  Entrambi sostenevano la possibilità che vari composti chimici si siano accumulati e concentrati in luoghi dove idratazione e deidratazione avvengono continuamente, come i bagnasciuga, le pozze rocciose e i camini idrotermali sottomarini.
  Secondo loro, cicli ripetuti di idratazione e deidratazione, sommati all’energia del magma, ai raggi ultravioletti e alle tempeste elettriche possono aver portato alla nascita di molecole organiche complesse.
  Infine, a un certo punto, molecole lipidiche potrebbero aver creato una “ pellicola oleosa” sul brodo, contenente importanti molecole responsabili della formazione delle prime unità simili a cellule.
  Tuttavia, per decenni questa teoria è stata supportata da prove molto scarse.
  Appariva evidente che le biomolecole essenziali, cioè le proteine, le membrane cellulari lipidiche e il DNA erano presenti solo negli organismi viventi e non potevano formarsi senza l ’apparato molecolare contenuto nelle cellule.
  Nel 1952 il giovane scienziato Stanley Miller miscelò acqua, metano, idrogeno e ammoniaca in laboratorio e sottopose la miscela a scariche di migliaia di volt per simulare le tempeste elettriche che sconvolgevano l’atmosfera terrestre ai tempi dell’origine della vita.
  Nel giro di qualche giorno la miscela si trasformò in un composto chimico denso e bruno e dalle analisi emerse che gli amminoacidi, i mattoni delle proteine, si erano formati spontaneamente.
  Fu un esperimento fondamentale a sostegno della teoria secondo cui la vita poteva originare da semplici sostanze chimiche presenti sulla Terra. Ulteriori analisi hanno da allora evidenziato che tutti e 22 gli amminoacidi essenziali necessari alla vita possono essere creati in questo modo.
  Gli scienziati da allora hanno creato altre sostanze chimiche biologiche importanti in modi simili, come i nucleotidi, i mattoni del DNA.
  Quindi la vita è nata nel brodo primordiale? Questa teoria in realtà non ci porta molto lontano, perché se è vero che il brodo contiene tutti gli ingredienti della vita, come amminoacidi e nucleotidi, non è chiaro come sia possibile indurre questi elementi a creare sostanze biochimiche estremamente complesse come le proteine o il DNA.
  Ancora più difficile è creare varianti di tali molecole che abbiano funzioni biologiche significative.

• Dove può essersi ancora formata la vita?
  Un’altra teoria sempre più accreditata sostiene che la vita sia iniziata nei camini idrotermali sottomarini.
  Ai tempi dell’origine della vita, l’ acqua marina era acida e caricata positivamente. Per contro, i camini emettevano sostanze alcaline a carica negativa.
  Queste spaccature della crosta terrestre, dove i minerali alcalini reagivano con l’acqua marina acida, hanno creato dei micro-pori nelle rocce, che sembra siano in grado di concentrare le sostanze chimiche prodotte da altre reazioni che avvengono nel camino.
  Nei camini, i minerali a base di ferro e zolfo possono aver contribuito a catalizzare le reazioni, proprio come fanno le proteine a base di ferro e zolfo nelle cellule attuali.
  Oggi, questi camini spesso ospitano comunità microbiche complesse, alimentate dalle sostanze chimiche disciolte nei fluidi dello sfiato.
  Ma l’aspetto più entusiasmante di questa teoria consiste nella chimica complessa che avviene tra l’interno e l ’esterno di questi micro-pori e che ha creato quello che conosciamo come "gradiente protonico”, ovvero una tappa fondamentale del processo con cui tutti gli organismi viventi accumulano energia e la utilizzano per costruire molecole complesse.
  L’ultima fase di questa teoria riguarda ancora una volta la produzione di molecole lipidiche, che possono generare spontaneamente vescicole simili a bolle o a cellule.
  Formatesi in questa schiuma chimica, alcune di queste vescicole potrebbero aver racchiuso set di molecole autoreplicanti, dando vita così alle prime protocellule organiche.

Nella foto sotto, vita in laboratorio. Lo scienziato Stanley Miller ha miscelato acqua marina e vari gas per replicare l'oceano e l'atmosfera. Ha aggiunto elettricità per simulare una tempesta elettrica. Questo processo ha generato amminoacidi, i mattoni della vita.

4. La vita dallo Spazio e la prima biomolecola

• Ma se la vita provenisse dallo Spazio?
  L’ idea che la vita sia nata nello Spazio, nota come panspermia, potrebbe non essere poi così stravagante. Gli scienziati hanno ritrovato numerose molecole inaspettatamente complesse, come amminoacidi o piccoli componenti di DNA, annidati nelle
  comete o nei meteoriti piovuti sulla Terra.
  La maggior parte degli studiosi sostiene che queste sostanze chimiche, nella migliore delle ipotesi, hanno semplicemente "allungato il brodo". Non ci sono prove evidenti del fatto che cellule o biomolecole più complesse, come le proteine o il DNA,
  siano piovute dallo Spazio.

• Qual è stata la prima biomolecola?
  Il senso di tutta la ricerca sull'origine della vita sta nel comprendere quali sostanze chimiche abbiano per prime sviluppato proprietà biologiche, e come abbiano iniziato a cooperare.
  Il fatto che il DNA contenga le istruzioni della vita implica che fosse fondamentale per la vita primordiale.
  Ultimamente, i ricercatori tendono a concentrarsi su un altro tipo di molecola, l’RNA. che ritengono possa essere la prima sostanza chimica ad aver preso vita.
  L'RNA è strutturalmente simile al DNA e svolge una serie di funzioni essenziali a livello cellulare, dalla creazione delle proteine alla traduzione e comunicazione del codice genetico.
  La teoria secondo cui prima del DNA fossero state unità autoreplicanti di RNA a proliferare e a svilupparsi in realtà complesse, prende il nome di “mondo a RNA” .
  I ricercatori, creando sequenze casuali di RNA, hanno scoperto che alcune di esse possono generare forme complesse che consentono loro di svolgere diverse funzioni, come fungere da catalizzatori per la produzione di altre molecole.
  Gli scienziati sono riusciti a creare una molecola RNA in grado di moltiplicarsi. Questo "protogene”, noto come R3C, fornisce ulteriore sostegno all’idea che le sostanze chimiche possano sviluppare proprietà biologiche come l'autoreplicazione.
  Secondo altre teorie, la vita è iniziata con una versione più semplice di DNA e RNA, in grado di formarsi più facilmente dalle sostanze chimiche della Terra primordiale.
  Questa versione si è poi evoluta fino a generare quelle solide molecole, efficaci portatrici di informazioni, che conosciamo oggi.
  Nicolas Hud, professore del Centre for Chemical Evolution di Atlanta, fondato dalla NASA, sostiene che in un dato momento possano essere coesistite diverse biomolecole, che iniziando a cooperare hanno dato origine alla vita.
  "Non concordo con l’idea dell’esistenza di una prima molecola autoreplicante” , afferma Hud. "Credo invece che discendiamo dai polimeri che hanno iniziato a cooperare. Sono essenzialmente quattro i tipi di polimeri che partecipano alla maggior parte delle reazioni metaboliche negli esseri viventi: le membrane lipidiche; i polisaccaridi (gli zuccheri); le proteine e gli acidi nucleici, sopravvissuti a molti altri tipi di polimeri".

Nella foto sotto, i ricercatori sono sempre più impegnati nello studio dell'RNA come probabile fautore dell’evoluzione della vita.

5. Ci sono altre teorie e otterremo mai una risposta soddisfacente?

• Ci sono altre teorie?
  Ci sono decine di altre teorie, alcune delle quali differiscono leggermente da quelle appena elencate, e altre decisamente più eccentriche.
  Molte si basano sulle condizioni che possono aver contribuito ad accumulare e concentrare importanti sostanze biochimiche proteggendole dalla decomposizione, come la "teoria dell’argilla”, secondo cui i cristalli di questo sedimento possono aver favorito l’organizzazione delle molecole organiche in schemi ordinati.
  Altre cercano di comprendere quale sia l’ordine in cui le biomolecole si sono formate e hanno iniziato a cooperare.
  Un esempio è la teoria del “mondo a lipidi”, secondo cui vescicole racchiuse da membrane di molecole lipidiche sono state il primo passo verso la nascita della vita cellulare.
  Sebbene non fossero unità portatrici di informazioni come RNA e DNA, possono essere state in grado di moltiplicarsi e di generare più facilmente l'RNA.

• Otterremo mai una risposta soddisfacente?
  Gli scienziati impegnati in questo campo, come biologi, chimici, geologi e astronomi, sono ancora divisi sui fondamentali.
  Spesso, sembra quasi che i ricercatori si stiano allontanando da un parere unanime, piuttosto che avvicinarsi.
  Nick Lane, biochimico e autore del libro sull’origine della vita The Vital Question, afferma che è un problema ancora più difficile da risolvere rispetto a quelli posti dalla fisica teorica:
  “Non siamo nemmeno lontanamente al livello dei fisici, che almeno concordano su quale sia la domanda e hanno costruito una macchina gigantesca come il CERN per risolverla. Siamo ancora lontani anni luce da un consenso di questo tipo”.
  Tuttavia, nonostante la mancanza di una teoria condivisa, molti scienziati sostengono che una soluzione soddisfacente per tutti non è fuori portata.
  Grazie a un uso sempre maggiore del computer modelling (simulazione computerizzata) essi studiano il comportamento di alcune miscele di molecole nel corso del tempo, contribuendo al progresso scientifico in questo campo.
  “Non sono poi così lontano dalla soluzione...” , afferma Lane, scherzoso... ma non troppo.
  "Bisogna capire che gli aspetti essenziali di tutti gli organismi viventi sono praticamente identici", sostiene Matthew Powner, un chimico impegnato nello studio dell’origine della vita allo University College London.
  “La differenza tra un essere umano e un albero può sembrarci ovvia, ma spesso non siamo in grado di capire quanto sia simile la biochimica che ha dato origine a entrambi, servendosi di poche sostanze chimiche: otto nucletoidi, venti amminoacidi, una manciata di lipidi e poco altro” .
  La soluzione comune può non essere a portata di mano, ma ogni biomolecola nata in laboratorio non fa che aggiungere una nuova tessera al puzzle.
  Il genetista Adam Rutherford conclude così il suo libro Creation: The Origin of Life:
  "L’inizio della vita ci ha messo milioni di anni, mentre gli scienziati hanno creato questi replicatori in dieci anni... alla base di tutte le ricerche sull’origine della vita è fondamentale ricordare che la risposta è: la Vita. La domanda da porsi è come trovare una strada credibile che ci conduca a essa".