Parrocchia di S. Lucia sul Prato

La Terra si è originata a partire da una massa caldissima di rocce fuse circa 4.6 miliardi di anni fa. Con il raffreddamento della Terra, la maggior parte del vapore acqueo presente nell'atmosfera primigenia si è condensata in acqua liquida, dando origine agli oceani. Uno dei possibili scenari per la nascita di ciò che chiamiamo vita è che questa si sia originata meno di 4.0 miliardi di anni fa in questa "zuppa calda" ricca di composti come l'ammoniaca, la formaldeide, l'acido cianidrico e idrocarburi organici (metano, ecc.).

Quali siano stati i passaggi che hanno portato da questa miscela di composti a delle forme organizzate di cellule rimane ancora oggi un problema irrisolto tuttavia gli studi condotti negli ultimi venti anni, in diversi settori della ricerca, dalla biologia molecolare alla geologia, alle scienze chimiche e fisiche, hanno permesso di comprendere in modo più approfondito i meccanismi molecolari che sono alla base della vita e della sua possibile origine.

Prima di passare ad analizzare questi studi, occorre tuttavia  cercare di rispondere, dal punto di vista scientifico, al primo e principale problema  e cioè: in che cosa consiste la vita?

Che cos'è la vita?

A questa domanda, posta più di sessanta anni fa dal grande fisico austriaco Erwin Schrödinger (premio Nobel per la Fisica nel 1933), nel suo famoso libro "Che cos'è la vita?", non è stata data infatti ancora una risposta completamente soddisfacente ed universalmente accettata dai diversi ricercatori. La ragione principale di questo sta nella difficoltà che abbiamo nello stabilire una precisa linea di demarcazione fra ciò che è inanimato rispetto ad un vivente. Se guardiamo ai virus, quegli agenti infettivi di natura non cellulare, per alcuni versi essi sembrano "non viventi", in quanto non sono capaci di riprodursi quando sono da soli, ma, una volta penetrati nelle cellule, possono moltiplicarsi in quest'ultime fino a provocarne la morte.

Una possibilità che abbiamo per superare questa difficoltà è quella di volgere il nostro sguardo ai viventi e vedere se questi, per come sono fatti, ci possono suggerire una possibile soluzione.

Tutti gli esseri viventi presenti sulla Terra, da quelli più complessi come gli uomini a quelli più semplici come i microrganismi, presentano una caratteristica comune: sono costituiti da unità ben precise, le cellule (il complesso e organizzato insieme di molecole racchiuso da una membrana). Una sola cellula nel caso dei batteri, miliardi di cellule nel caso degli organismi più complessi. Non solo, gli studi di Genetica molecolare ci dicono che tutti gli esseri viventi sottostanno allo stesso programma biologico, basato da un lato sugli acidi nucleici (DNA, RNA) e dall'altro sulle proteine. Il cosiddetto Principio Centrale della Biologia ci dice che l'informazione genetica, archiviata nella sequenza dei nucleotidi, l'unità costitutiva degli acidi nucleici, è la base fondante della vita. Essa infatti, mediante i processi della trascrizione e della traduzione, contiene l'informazione per produrre le proteine, sia quelle che costituiscono l'ossatura delle cellule, sia quelle (enzimi) che permettono la maggior parte delle reazioni che avvengono nelle cellule stesse. Inoltre, la specifica sequenza con cui si susseguono i nucleotidi lungo la molecola del DNA è trasmessa, mediante il processo della replicazione, da una generazione a quella successiva, assicurando così la perpetuazione dell'informazione genetica sul nostro pianeta. Non solo, poiché questa informazione può andare incontro a dei cambiamenti ereditabili (mutazioni) essa rappresenta il materiale di partenza su cui agisce l'evoluzione.

Questi sono gli aspetti fondamentali del processo biologico che chiamiamo vita e, sebbene altre caratteristiche siano necessarie ad essa, la presenza del materiale genetico (DNA/RNA) è assolutamente essenziale.

Questo fatto è alla base della definizione di vita data dalla NASA, la più accettata in ambito scientifico: “La vita è un sistema  che grazie ad una sorgente di energia è in grado di poter crescere, dare origine ad una discendenza e potersi adattare ("evolvere") ai cambiamenti dell'ambiente, che si possono determinare nel corso del tempo”

Se risaliamo indietro nel tempo nella storia del nostro pianeta possiamo quindi dire che, la comparsa in un'epoca ancestrale, databile come abbiamo accennato all'inizio intorno a circa 4.0 miliardi di anni fa, di una molecola avente le caratteristiche degli acidi nucleici, cioè capace di replicarsi e di evolvere, segna il punto di svolta fra un epoca prebiotica e l'inizio del processo che ha portato alla comparsa della vita vera e propria.

Origine della vita sulla Terra

Come questi processi abbiano avuto luogo e come la vita si sia originata è un problema estremamente complesso, tuttavia, come abbiamo già detto, le ricerche degli ultimi anni hanno cominciato a far luce su alcuni aspetti fondamentali. In linea di principio ci sono due possibilità: un'origine spontanea qui sulla Terra (origine endogena), oppure  un'origine extraterrestre (origine esogena).

Per quanto riguarda la prima, essa si basa sulle geniali intuizioni di un giovane biochimico russo Aleksandr I. Oparin il quale, agli inizi degli anni '20 del secolo scorso,  ipotizzò che le molecole organiche dei viventi si fossero originate a partire dai gas presenti nell’atmosfera primordiale, come l’idrogeno (H2), il metano (CH4), l’ammoniaca (NH3), l’acido cianidrico (HCN), il vapor d’acqua (H2O), l’anidride carbonica (CO2), ecc. Un’atmosfera di questo tipo, detta “riducente” perché caratterizzata dalla mancanza di ossigeno gassoso (O2), sotto l’azione dei fulmini e di altre forme di energia (raggi cosmici, il calore delle eruzioni vulcaniche, ecc.), avrebbe favorito la combinazione di questi gas, con la formazione di molecole organiche più complesse, come gli aminoacidi i costituenti delle proteine, che sarebbero andate a finire per effetto delle piogge nei mari primordiali, dando origine alla cosiddetta “primordial soup" ("la zuppa  primordiale"). Oparin pubblicò nel 1924 la sua teoria in un libro, scritto in russo, dal titolo “L’Origine della Vita”, che venne tradotto in inglese solo nel 1937. In quegli stessi anni (1929), il genetista inglese John B.S. Haldane era giunto a delle conclusioni analoghe. Per questo la teoria dell’origine del vivente a partire da composti organici semplici presenti sulla Terra ancestrale è nota come “Teoria di Oparin-Haldane”. Questa ipotesi così rivoluzionaria, trovò la sua consacrazione ufficiale circa 15 anni più tardi grazie agli esperimenti condotti da un giovane chimico statunitense Stanley L. Miller, il quale cercò di verificare in laboratorio la fondatezza delle idee di Oparin e Haldane mettendo a punto un esperimento che simulasse le condizioni da loro ipotizzate. Per questo Miller costruì un’apparecchiatura costituita da due palloni di vetro, tra loro comunicanti, contenenti uno acqua all’ebollizione e l’altro una miscela di idrogeno, ammoniaca e metano, oltre a vapore d’acqua, proveniente dal primo pallone. Nel contenitore con i gas, venivano generate scariche elettriche a 60.000 volt, in modo da riprodurre i fenomeni temporaleschi, presumibilmente molto frequenti e intensi della Terra alle origini. Dopo due settimane di trattamento continuo, si vide che l’acqua del primo pallone aveva assunto una colorazione bruno-rossiccia. La successiva analisi chimica del liquido evidenziò la presenza di alcuni aminoacidi, oltre ad altri composti organici.

La pubblicazione nel 1953 sulla rivista Science dei risultati di questo esperimento destò un grande clamore in tutto il mondo scientifico e aprì la strada allo studio dell’origine del materiale vivente su basi rigorosamente sperimentali.

Negli anni successivi sono stati condotti molti altri esperimenti dello stesso tipo grazie ai quali è stato possibile ottenere i più svariati composti tipici degli esseri viventi, fra cui i costituenti dei nucleotidi presenti nel DNA e nell’RNA.

Tuttavia era difficile pensare che la formazione delle prime molecole biologiche potesse essere avvenuta in presenza di enormi quantità di acqua, come quelle degli oceani primordiali, data la scarsa concentrazione dei precursori. Questo problema era ben presente ad alcuni scienziati, in particolare all'inglese John D. Bernal, il quale nel 1951 suggerì che queste reazioni dovevano essere avvenute sulla superficie di particelle minerali, in particolare le argille, le quali per le loro proprietà chimico-fisiche avevano la capacità di assorbire e concentrare le molecole organiche presenti nelle acque, di proteggerle nei confronti della degradazione da parte delle alte temperature e del forte irraggiamento e di favorire (catalizzare) la loro unione in polimeri sempre più complessi.

Negli ultimi anni, l'ipotesi di un'origine del vivente mediata dalle superfici  minerali, il cosiddetto "mineral honeycomb" ("culla minerale"), ha ricevuto una serie di impressionanti conferme sperimentali. Queste osservazioni sul ruolo "chiave" svolto dai minerali riguardo alla formazione, alla "preservazione" del materiale genetico primordiale e quindi alla sua possibilità di "evolvere", hanno dato nuovo credito alla teoria esogena sull’origine della vita, la cosiddetta Panspermia (dal greco “semi ovunque”), la quale afferma che le molecole di partenza per la costruzione delle prime cellule viventi sono state trasportate sulla Terra da corpi celesti come meteoriti, comete, asteroidi, ecc.

Dopo circa 50 anni di osservazioni astronomiche e missioni spaziali si è visto che l'Universo è molto "ricco" dal punto di vista chimico. Più di 100 specie molecolari, alcune molto complesse, sono state identificate nel gas presente nel mezzo interstellare della nostra Galassia.

Le analisi molto approfondite condotte nel corso di oltre venti anni su alcuni meteoriti, hanno indicato la presenza in questi corpi celesti di moltissimi composti organici complessi, dagli aminoacidi, agli zuccheri, agli acidi carbossilici, alle basi nucleotidiche. Per quanto riguarda le comete, nell'agosto 2009 è stato annunciato, dai ricercatori della NASA, il ritrovamento dell'aminoacido glicina in uno dei grani di polvere della cometa Wild 2, riportati a terra dalla sonda spaziale Stardust della NASA. In questo scenario, lo studio dei meccanismi di formazione, trasporto e "protezione" del materiale biotico sulla superficie terrestre o di altri pianeti, attraverso meteoriti, grani cometari o polvere cosmica, acquista un rilievo estremamente importante in quanto il loro studio può fornire utili informazioni non solo sulla formazione del nostro sistema solare, ma anche sull'origine della vita, avendo contribuito all'inseminazione della Terra, circa 4.0 miliardi di anni fa, con la materia organica dalla quale poi si sono originate le prime cellule viventi.

Origine delle prime cellule viventi                                                         

Non sappiamo quale sia stato il processo evolutivo che ha permesso di passare dalle molecole prebiologiche alle prime cellule di tipo batterico e, probabilmente non lo sapremo mai, in quanto la nascita del vivente è un evento storico e, come tutti gli eventi storici, è unico e irripetibile. Tuttavia esistono tracce fossili che dimostrano in modo inequivocabile l'esistenza di cellule viventi sulla Terra già verso i 3.2-3.3 miliardi di anni fa.

Forme fossilizzate di vita microscopica (microfossili), simili nella struttura e nelle dimensioni agli attuali batteri, sono state infatti rinvenute nell'Australia nord-occidentale e nell'Africa sud-orientale. Questi fossili sono stati trovati all'interno di rocce provenienti dai fondali degli oceani primordiali e sono costituiti essenzialmente da cianobatteri  (alghe verdi-azzurre), batteri capaci di svolgere la fotosintesi e quindi di produrre ossigeno. Questi batteri hanno svolto un ruolo decisivo nell'aumento della concentrazione di ossigeno nell'atmosfera terrestre, dai livelli infinitesimi della Terra primordiale (meno dell'1%), fino al livello attuale del 21%. Molti autori concordano nel ritenere che questo aumento dell'ossigeno nell'atmosfera terrestre sia stato cruciale per la comparsa, circa 2.0 miliardi di anni fa, delle prime cellule superiori, notevolmente più grandi dei batteri e con una struttura interna assai più complessa, cellule che formano il corpo delle piante, degli animali e dell’uomo.

Possiamo dire, quindi, che la vita apparsa sulla Terra circa 3.5 miliardi di anni fa non si è mai estinta ma, grazie alla trasmissione ereditaria delle informazioni contenute nella sequenza nucleotidica degli acidi nucleici, si è mantenuta per tutto questo lunghissimo tempo. Nel corso dei millenni, numerosissime specie sono apparse, si sono affermate, si sono modificate o sono scomparse, ma la vita non è mai estinta.

Il fatto che tutte le forme di vita presenti oggi sulla Terra, abbiano un antenato in comune, e che esse siano molto diverse tra loro e da quelle vissute in altre ere geologiche, sta ad indicare che le specie non restano inalterate nel corso del tempo ma, al contrario, possono andare incontro a modificazioni attraverso le successive generazioni. I cambiamenti, che col tempo si verificano nel patrimonio genetico di una popolazione di individui inizialmente omogenea, sono alla base del processo noto come evoluzione biologica, proposto da Charles Darwin nel 1859.

 

Bibliografia

 

Libri/Testi di divulgazione

​

​

D. R. Altschuler:   "L'Universo e l'origine della vita", Oscar Mondadori, 2005

C. De Duve:          "Alle origini della vita", Longanesi, 2008

I. Fry:                              "L'origine della vita sulla Terra", Garzanti 2005

E. Gallori:             "Atlante di Genetica", Giunti, 2008

S. J. Gould:           "La vita meravigliosa", Feltrinelli, 1990

T. Pievani:            "La teoria dell'evoluzione", Il Mulino, 2006

​

Articoli su riviste scientifiche

​

​

AA.VV.:                  "Dallo spazio le molecole della vita", Le Scienze, Settembre 1999

A. Ricardo & J.W. Szostak:      "La vita sulla Terra", Le Scienze, Novembre 2009

E. Gallori:             "Astrobiologia: una scienza moderna per un problema antico", in Giornale di Astronomia, Fabrizio Serra editore, Giugno 2013