u Introduzione

Che dalla materia inanimata scaturisca la vita si stenta a farsene una ragione. Perchè la vita sono milioni (non sappiamo ancora quanti precisamente) di specie di piante, animali e microrganismi. E soprattutto, la vita siamo noi, che a nostra volta indaghiamo sulla vita, sulla nostra storia e su quella dell'Universo. E la più grande scoperta sull'origine della vita è proprio quella che essa è frutto dell'evoluzione dell'Universo.

L'evoluzione è infatti un divenire di oggetti che si formano in conseguenza di qualcosa che c'era prima. Quel qualcosa che possiamo prendere come esempio di prima forma di vita è la cellula dei Procarioti. In realtà dobbiamo fare anche uno sforzo d'immaginazione e pensare a qualcosa di ancora più semplice che potremmo chiamare "protocellula", un aggregato precellulare che abbia le seguenti caratteristiche: una compartimentazione che divida l'ambiente interno da quello esterno, alcune semplici reazioni metaboliche, e un qualcosa che sia depositario delle informazioni dell'organismo, una sorta di "protoDNA".

u Il materiale da costruzione della protocellula

La materia vivente è formata per più del 95% di idrogeno, carbonio, ossigeno e azoto. Questi sono tra gli elementi più diffusi dell'Universo, in quanto si formano facilmente nei comuni processi di nucleosintesi. L'elemento base per la costruzione della materia organica è il carbonio, che ha la caratteristica unica di poter formare lunghe molecole legandosi ad altri atomi di carbonio (come negli idrocarburi), anche con legami multipli. Il carbonio ha inoltre la capacità di potersi legare facilmente con idrogeno, ossigeno e azoto a formare le classi di molecole che costituiscono la materia vivente: gli acidi grassi e il glicerolo (che formano i lipidi), i monosaccaridi (che formano i carboidrati), gli amminoacidi (che formano le proteine), i nucleotidi (che formano RNA e DNA). In alcune di queste molecole sono presenti anche il fosforo e lo zolfo. Il silicio, che in passato è stato considerato un altro possibile elemento in grado di formare molecole complesse, in realtà si lega preferenzialmente all'ossigeno anzichè ad altri atomi di silicio, andando così a costituire i silicati presenti nelle comuni rocce terrestri.

Diverse molecole organiche sono state ritrovate sul suolo lunare, e in meteoriti cadute recentemente sulla Terra. Inoltre in diversi esperimenti di laboratorio sono state ricostruite le condizioni dell'ambiente terrestre nel periodo di origine della vita: in queste simulazioni sono state ottenute in diversi casi delle molecole organiche. L'esperimento più famoso di questo tipo rimane quello di Stanley Miller dell'inizio degli anni '50: per la prima volta si riusciva a dimostrare la produzione, al di fuori di un organismo vivente, di molecole organiche a partire da componenti inorganici (che rappresentava un possibile ambiente primordiale) e utilizzando alcune semplici forme di energia (scariche elettriche).

Diversi altri esperimenti sono stati compiuti in seguito a quello di Miller, simulando atmosfere di differente composizione, o substrati costituiti da argille o solfuri, o utilizzando diverse forme di energia (oltre alle scariche elettriche, irradiazioni con raggi UV, con protoni, ecc.). Le molecole organiche che si formano più frequentemente in questi esperimenti sono alcuni tipi di amminoacidi, acidi grassi a catena corta e piccole molecole come formaldeide, idrossiacidi, urea.

Dalla formazione di queste piccole molecole alla formazione delle prime cellule il passo è veramente lungo ed è su questo punto che si concentrano oggi maggiormente gli studi sull'origine della vita.

u Una Terra inospitale

La Terra nacque 4 miliardi e mezzo di anni fa e si accrebbe (per caduta di meteoriti) fino ad avere, dopo circa 100 milioni di anni, una massa simile a quella attuale. La vita era però allora impossibile perchè la Terra era molto calda a causa del calore generato dall'impatto delle meteoriti (a quel tempo molto frequente), del decadimento di elementi radioattivi a breve vita e della formazione del nucleo terrestre. La temperatura superficiale dovrebbe essere scesa allora da valori iniziali medi superiori a 1000 °C fino a circa 200 °C durante la formazione dei primi oceani. Questa determinò un ulteriore abbassamento della temperatura in quanto l'acqua precipitò sulla superficie in forma liquida abbandonando la forma di vapore che aveva nell'atmosfera; il vapore d'acqua ha infatti un potente effetto serra e riusciva a trattenere il calore sulla Terra alla maniera di una coperta.

Allo stadio della formazione degli oceani il principale gas che rimane nell'atmosfera è l'anidride carbonica. Con l'instaurarsi di un ciclo dell'acqua simile a quello odierno, la pressione atmosferica passa da 60 a circa 10 atm: l'anidride carbonica entra, infatti, come costituente delle rocce carbonatiche nel ciclo "acqua + anidride carbonica + calcio e altri elementi delle rocce continentali = rocce carbonatiche".

Prima dell'origine della vita l'atmosfera si stabilizza così con un'elevata quantità di anidride carbonica e tracce di altri gas emessi da vulcani come azoto, anidride solforosa, acido solforico e cloridrico, monossido di carbonio, metano e ammoniaca. L'elevata presenza di un gas con effetto serra come l'anidride carbonica determina una temperatura media superficiale attorno agli 80 °C per alcune centinaia di milioni di anni (per gran parte del periodo chiamato Adeano), circa 4 miliardi di anni fa, età in cui oggi si pensa che si sia originata la vita sulla Terra.

u I fossili più antichi

Ci sono opinioni molto discordi sui reperti fossili più antichi che testimoniano la presenza della vita sulla Terra. La maggior parte dei ricercatori è d'accordo nel ritenere che i fossili ritrovati nella formazione rocciosa di Fig Tree in Sudafrica, di circa 3 miliardi e 200 milioni di anni di età, rappresentino degli organismi unicellulari simili ai cianobatteri (o alghe azzurre) odierni.

Più discordi sono le opinioni sui fossili (se tali sono) ritrovati nelle rocce della formazione (formazione striata ferrosa o BIF) di Isua, in Groenlandia, dell'età di quasi 4 miliardi di anni. Anche qui secondo alcuni micropaleontologi si scorgono delle fossilizzazioni di cellule di tipo batterico, ma secondo altre opinioni le strutture che si osservano nella roccia potrebbero essere dovute più a processi geologici che biologici. Ci sono però due altri motivi per cui queste rocce fanno pensare alla presenza della vita a quel tempo. Un motivo è dato dall'anormalmente elevato contenuto di carbonio legato a molecole tipiche della produzione organica, l'altro è che la composizione di isotopi leggeri e pesanti di questo carbonio è simile a quella che si riscontra negli organismi viventi (che incorporano preferenzialmente l'isotopo più leggero). Anche recenti misurazioni isotopiche del carbonio di altre rocce di periodo corrispondente sembrerebbero spingere la comparsa della vita sulla Terra nel periodo compreso tra 3,9 e 4 miliardi di anni fa, che corrisponde anche al periodo in cui avvenne l'ultimo grosso evento che sconvolse la Terra tanto da sterilizzarla da qualsiasi eventuale forma di vita precedente: un intenso flusso meteoritico testimoniato dai numerosi crateri lunari datati proprio a quel periodo.

u Gli eventi globali che sconvolsero la Terra

Nella storia della Terra si distingue un periodo prebiotico (precedente alla comparsa della vita) dal più lungo periodo biotico, in cui la vita ha invaso tutta la superficie terrestre. L'origine della vita sulla Terra è stata in effetti un grande evento globale che ha portato alla modificazione della geochimica superficiale del pianeta, compresa la composizione dell'atmosfera. Prima dell'origine della vita si avevano solo eventi globali di origine geologica o extraterrestre. Agli eventi globali di tipo geologico appartengono il forte vulcanismo del periodo iniziale della storia della Terra (responsabile della fuoriuscita dei gas che hanno contribuito alla formazione dell'atmosfera) e quello che si è verificato in certe fasi dell'evoluzione planetaria, che ha determinato grandi estinzioni come quella avvenuta alla fine del Permiano dove scomparve circa il 90% delle specie.

Gli eventi globali di origine extraterrestre sono stati pure molto importanti per la storia della Terra e della vita su di essa. Nei primi 500 milioni di anni della storia della Terra si sono verificati intensi flussi di meteoriti (residui della formazione dei pianeti) e impatti globali che hanno avuto, fra l'altro, la conseguenza di modificare la superficie del pianeta, di accrescerne la massa, di innalzare la temperatura superficiale di diverse centinaia di gradi e di sterilizzare rapidamente ogni forma di vita continentale. Per questo motivo si ritiene che se la vita è esistita prima di 4 miliardi di anni fa essa debba essersi sviluppata nel fondo degli oceani. D'altro canto molti ritengono che i primi organismi debbano essere stati ipertermofili per potersi adattare alle alte temperature ipotizzate per quel periodo anche in assenza di grossi impatti meteoritici.

Gli impatti delle comete hanno avuto forse un ruolo molto importante nella formazione degli oceani, poichè questi corpi sono formati per grossa parte di acqua.

La formazione della Luna è stato un altro avvenimento molto importante. Infatti senza la Luna probabilmente la Terra potrebbe avere avuto variazioni anche notevoli nell'inclinazione del proprio asse portando ad effetti sconvolgenti (ad esempio, giorni e notti della durata di circa sei mesi).

Infine, un altro evento che potrebbe essere implicato nell'origine della vita è la formazione della crosta continentale e l'avvio di una tettonica crostale. Senza una deformazione della crosta terrestre che portasse all'emersione dei continenti, non si sarebbero formati quegli ambienti superficiali che conservano le tracce delle più importanti concentrazioni di materiale organico e che molti ricercatori sono oggi portati a ritenere sede della formazione dei primi aggregati protocellulari.

u Le ipotesi sull'origine della vita

Nessuna forma di vita è nata improvvisamente dal cosiddetto "brodo primordiale", formato da molecole organiche, sali minerali e componenti colloidali disciolti in acqua. Ci deve invece essere stato un momento e un luogo in cui le molecole organiche hanno potuto concentrarsi a tal punto da dar luogo alla formazione di aggregati che costituissero un ambiente indispensabile all'avvio delle più semplici reazioni metaboliche. Infatti, in un "brodo" molto diluito le molecole organiche non possono incontrarsi e creare legami. Per questo motivo molti ricercatori ritengono ora che i primi aggregati si siano formati in pozze d'acqua soggette periodicamente a prosciugamento. Alcuni pensano addirittura ad aggregati che si formano in gocce d'acqua nell'atmosfera o all'interno di micrometeoriti eventualmente ricche di materiale organico. Secondo alcune ipotesi la formazione degli aggregati sarebbe stata favorita dall'adsorbimento su colloidi o altre superfici minerali.

Negli anni '50 i coacervati di Alexandr I. Oparin furono proposti come una simulazione di aggregati organici primordiali; essi formavano delle compartimentazioni derivanti dall'autoassemblaggio di materiali parzialmente idrofobi in un sistema acquoso. Non potevano però essere aggregati prebiotici perchè formati da sostanze artificiali.

L'ipotesi delle vescicole lipidiche, o liposomi, ha la pretesa di essere più vicina alle condizioni ambientali reali. Questa ipotesi è stata proposta, fra gli altri, da uno dei principali studiosi italiani dell'origine della vita, Mario Ageno. Essa si basa sulla proprietà dei lipidi in ambiente acquoso di potersi assemblare in strati a formare dei compartimenti chiusi così come si verifica nelle membrane delle cellule. I lipidi sono in effetti una componente molto importante delle membrane, anche se tutt'altro che unica. Esse sono infatti formate anche da diverse altre molecole, in particolare da proteine. Un punto debole della teoria delle vescicole lipidiche è che prima dell'origine della vita è difficile credere alla formazione spontanea di lipidi complessi come quelli che si ritrovano oggi nelle cellule. Inoltre solo raramente lipidi più semplici possono formare spontaneamente delle membrane.

Un tipo di aggregato organico che si fonda invece su molecole prodotte effettivamente in laboratorio simulando condizioni ambientali primordiali è quello delle microsfere di proteinoidi, come verificò per primo Sidney W. Fox negli anni '50. Questi proteinoidi sono formati da amminoacidi, che a temperature attorno ai 100 °C si legano tra loro a formare molecole che hanno alcune caratteristiche delle proteine. Questi proteinoidi hanno alcune caratteristiche interessanti, come quella di poter formare le microsfere, cioι di potersi autoassemblare in acqua in formazioni sferoidali delle dimensioni dei batteri o più grandi, più facilmente di quanto avviene per i lipidi nel formare liposomi. Un'altra caratteristica dei proteinoidi è quella di poter catalizzare certe reazioni, che è una delle funzioni delle proteine (enzimi) nell'organismo. Finora però non ci sono molti riscontri di un'effettiva somiglianza funzionale tra proteinoidi e proteine. Inoltre, anche se i proteinoidi ben soddisfano un prerequisito nella via verso la formazione della protocellula (la capacità di formare degli aggregati) non sono in grado di render conto della nascita di un sistema molecolare capace di trasmettere l'informazione, che oggi è contenuta tutta nell'RNA e nel DNA.

Secondo un'ipotesi recente, la nascita dell'RNA avviene molto presto e risulta prioritaria nel dare l'avvio alla formazione delle protocellule. Questa ipotesi, denominata "mondo a RNA", si basa sulla scoperta dei ribozimi, compiuta negli anni '80. I ribozimi sono molecole di RNA che hanno anche la caratteristica propria delle proteine di funzionare da catalizzatori delle reazioni organiche e sono capaci di autoreplicarsi. In questa maniera si avrebbero in una sola molecola la capacità delle proteine di governare i processi del metabolismo e quella del codice genetico di trasmettere l'informazione riguardo a questi processi, che saranno così soggetti alle leggi della selezione naturale. Il problema di questa teoria è che in realtà l'origine dei ribozimi sembra essere recente nella storia della vita e inoltre queste molecole sono troppo complesse per poterle considerare di semplice formazione spontanea.

Esistono numerose varianti a queste ipotesi che rimangono comunque la base della discussione fra i ricercatori in questo campo. Ad esempio, alcuni ricercatori giapponesi privilegiano la teoria della formazione di aggregati affini alle microsfere di proteinoidi, ma avvenuta in un ambiente diverso da quello immaginato originariamente da Fox, che pensava a delle pozze d'acqua situate in aree vulcaniche a contatto con l'atmosfera. Questi aggregati vengono chiamati "marigranuli" e si sarebbero formati in fondo al mare vicino a sorgenti di acqua calda ricche di sali minerali che si trovano in fondo agli oceani (ambiente idrotermale). Altri ricercatori mettono insieme le varie ipotesi e pensano invece ad aggregati formati da proteinoidi e molecole organiche di altro tipo che hanno la capacità di segregare molecole di RNA che, questo è largamente accettato, precedette il DNA.

u La nascita della vita sulla Terra

Una volta che si è formato un aggregato organico che è in grado di compiere alcune reazioni metaboliche (come reazioni di condensazione: unione di due molecole con perdita di una molecola d'acqua) e che possiede un sistema molecolare capace di trasmettere l'informazione, presumibilmente l'RNA, allora si è giunti alla formazione di una protocellula. Nel momento in cui si formano tipi di protocellule più stabili di altre che acquisiscono la capacità di dividersi e moltiplicarsi, allora si è giunti ai primi organismi, che si suppone fossero formati da una sola cellula. La cellula viene anche definita come l'unità di vita e le teorie odierne sull'origine della vita passano tutte per l'origine della cellula. A volte vengono anche proposte teorie di formazione extraterrestre della vita. La più conosciuta è la teoria della panspermia di F. Hoyle, che individua l'origine della vita nelle nubi interstellari e nelle comete. La vita sarebbe stata così trasportata sulla Terra da corpi meteoritici che cadevano su di essa; più recentemente è stata invece proposta una "inseminazione" di vita ad opera di meteoriti.

Oggi la maggior parte degli studiosi ritiene che la vita sulla Terra si sia originata sulla Terra stessa, attraverso una sequenza di atti evolutivi della sua chimica superficiale che possono in molti casi essere riprodotti in laboratorio. Questo non vuol dire che la vita non possa essersi originata anche altrove nell'universo, anzi questa è una possibilità molto studiata da una disciplina che si è sviluppata negli ultimi anni, la bioastronomia. Bisogna però prendere coscienza che la capacità della Terra di ospitare la vita è dovuta a una serie di casualità dell'evoluzione astronomica e planetaria che è difficile riscontrare in altri corpi celesti. Questa eccezionale capacità della Terra si è ulteriormente affinata dopo la nascita della vita con l'affermarsi dell'autotrofismo e di un complesso sistema ecologico basato su interazioni tra vita e ambiente che tendono a sviluppare il massimo della biodiversità.