Ma come è nata la vita?

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1 CENNI SULLA ORIGINE DELLA VITA SULLA TERRA L ipotesi più accreditata sulla origine del pianeta Terra ritiene che esso sia nato durante la formazione dell intero Sistema Solare a partire da una nebulosa primordiale, che probabilmente, in seguito a non ben precisate forze esterne (ad esempio un disturbo gravitazionale dovuto all avvicinamento di altri corpi celesti) abbia iniziato a ruotare su sé stessa assumendo una tipica forma a disco con la maggior parte della massa concentrata nel suo centro. Nella parte centrale di questa nebulosa, la enorme pressione determinò un graduale aumento della temperatura fino a valori di circa milioni di gradi Kelvin. A queste temperature, iniziarono le reazioni termonucleari esotermiche che trasformarono la massa sferica di gas denso e caldo (protostella) in stella vera e propria. Intorno alla stella Sole neoformata intanto, andavano aggregandosi corpi freddi relativamente piccoli che avrebbero dato origine a tutti gli altri corpi del Sistema Solare: pianeti, pianeti nani, satelliti, asteroidi e comete. Uno di questi corpi freddi è il nostro pianeta. Le evidenze ricavate dagli studi di astronomia, geologia e fisica, portano a datare la nascita del pianeta Terra a circa 4 miliardi e 700 milioni di anni fa (4,7 x 10 9 anni fa). Successivamente, in seguito allo scontro della Terra neoformata, con un planetesimo delle dimensioni di Marte chiamato Theia o Orpheus, si sarebbe originata la Luna (Ipotesi dell impatto gigante). Comunque, una crosta solida e fredda dovrebbe essersi formata nel corso dei successivi 700 milioni di anni. Inoltre, in quel periodo, i pianeti erano colpiti da una vera e propria pioggia di asteroidi e comete, molto più frequenti in quei tempi remoti rispetto ad oggi. Lo scenario di queste antiche devastazioni è ancora facilmente visibile sulla superficie lunare devastata da miriadi di antichissimi crateri da impatto di dimensioni variabili. L enorme contenuto di acqua portato dalle comete determinò almeno in parte la formazione degli oceani, integrata dalle poderose emissioni di vapore aqueo dei vulcani, a quei tempi attivissimi. I paleontologi ritrovano le prime cellule fossili in rocce vecchie di circa 3 miliardi e 800 milioni di anni, costituite essenzialmente da cellule batteriche. La vita quindi deve essere nata, non molto tempo prima: circa 4 miliardi di anni fa. Praticamente appena dopo il consolidamento e il raffreddamento della superficie terrestre. Ma come è nata la vita? Questa è naturalmente una domanda a cui, allo stato attuale delle nostre conoscenze, è difficile dare una risposta definitiva. Dopotutto si cerca di capire eventi straordinari avvenuti in tempi antichissimi. Come si può ben immaginare quindi, l argomento è fortemente dibattuto. Tuttavia, l ipotesi che trova ancora oggi il maggior consenso da parte dei biologi, fu elaborata negli anni 20 del secolo scorso dagli studiosi Oparin e Haldane e verificata negli anni 50 dagli studi di biochimica di Stanley Miller. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 1

2 Secondo questa ipotesi, il clima e la composizione dell atmosfera della Terra neoformata erano molto diversi da quelli attuali. L ambiente era sostanzialmente anossico (privo di ossigeno) e l atmosfera era riducente (ossia permetteva certe reazioni chimiche di sintesi che in presenza di ossigeno sono fortemente sfavorite). L atmosfera primordiale, irrespirabile, era composta essenzialmente da idrogeno (H 2 ), metano (CH 4 ), ammoniaca (NH 3 ), vapore aqueo (H 2 O) e biossido di carbonio (CO 2 ). L ossigeno molecolare O 2 era, come già detto, assente. Durante i primi milioni di anni, queste sostanze chimiche reagirono tra di loro in svariati modi, favoriti dalla energia portata sulla superficie terrestre dalle radiazioni ultraviolette solari che non schermate dalla fascia di ozono (O 3 ), colpivano intensamente la superficie terrestre. Inoltre, a favorire le reazioni chimiche sulla terra primordiale, concorrevano i fulmini, l intensa attività vulcanica e le radiazioni emesse durante il decadimento di sostanze radioattive. Questo processo chimico complesso è definito SINTESI ABIOTICA, per sottolineare che ovviamente la sintesi di quelle sostanze organiche avveniva senza l intervento di organismi viventi. Queste ipotesi sono avvalorate da una serie di evidenze scientifiche come la già menzionata esperienza di Miller. Questo scienziato sottopose per diversi giorni, una miscela gassosa di metano, ammoniaca, idrogeno e vapor d acqua, a scariche elettriche, in un recipiente di vetro chiuso. Si accorse che in meno di una settimana, nei gas condensati si formavano discrete quantità di composti organici come amminoacidi ed altri composti semplici. Inoltre, simulando in altro modo l atmosfera primordiale, successive ricerche mostrarono che da composti come la formaldeide si formavano importanti molecole di zuccheri monosaccaridi come glucosio e ribosio, mentre da molecole di acido cianidrico (HCN) si otteneva l adenina, un importante costituente degli acidi nucleici. Infine, riscaldando una miscela di amminoacidi era possibile ottenere in laboratorio corte catene polipeptidiche chiamate proteinoidi. E possibile quindi, che eventi simili protrattisi per decine di milioni di anni nell atmosfera primordiale, abbiano provocato una incessante pioggia di nuove molecole organiche quali AMMINOACIDI elementi base delle proteine, MONOSACCARIDI (o zuccheri semplici), LIPIDI (grassi) e diversi NUCLEOTIDI (costituenti base delle macromolecole di acidi nucleici come DNA ed RNA) e PROTEINOIDI. I mari di allora dovevano essere così ricchi di molecole organiche semplici da meritare il nome di brodo prebiotico. Probabilmente, determinanti per la formazione di molecole organiche più complesse furono anche gli strati di materiale argilloso che si andava accumulando in grande quantità nelle pozze di marea nei pressi delle foci dei fiumi. Le superfici argillose, con le loro cariche elettriche superficiali legavano debolmente le piccole molecole organiche, avvicinandole reciprocamente, favorendo la formazione di legami chimici tra di loro e determinando di conseguenza la formazione di molecole più complesse (azione catalizzante). Prof. Fulvio Baldanza Pagina 2

3 Alla sintesi (processo chimico in cui due o più composti semplici si combinano a formare un unico composto più complesso) abiotica fece poi seguito un lungo periodo di evoluzione chimica. Le sostanze organiche semplici, nei mari primordiali, al riparo dall azione demolitrice delle radiazioni ultraviolette solari che continuavano incessantemente ad investire la superficie della Terra andarono incontro ad un graduale aumento di complessità dando origine alle macromolecole polimeriche quali PROTEINE, ACIDI NUCLEICI, POLISACCARIDI e LIPIDI. Per comprendere gli sviluppi successivi giova a questo punto riflettere su alcune caratteristiche del vivente. Un organismo è vivente quando possiede un METABOLISMO (insieme di reazioni chimiche in grado di produrre l energia e le sostanze di cui ha bisogno per la sua sopravvivenza), la cui attività è regolata dall informazione contenuta in particolari molecole: gli acidi nucleici RNA e DNA (informazione genetica). Inoltre, un organismo vivente è in grado di trasmettere copie di questa informazione, alle sue cellule figlie. In poche parole è in grado di riprodursi. In sostanza, un essere vivente deve necessariamente possedere una serie di molecole enzimatiche (enzimi = proteine in grado di far avvenire velocemente determinate reazioni chimiche = catalizzatori biologici) e molecole informazionali. Inoltre, è indispensabile che tutte le reazioni chimiche del suo metabolismo avvengano in uno spazio ristretto e separato dall ambiente esterno, all interno di una membrana. Recenti studi hanno dimostrato la facilità con cui, dati i costituenti chimici di base, si formano le molecole di RNA (Acido Ribonucleico). L RNA inoltre, dimostra una notevole flessibilità biochimica in quanto è in grado di funzionare sia come molecola enzimatica che come depositario dell informazione genetica. Queste sue caratteristiche lasciano pensare che all origine della vita i primi esseri viventi si siano basati proprio sulla flessibilità di questa molecola (mondo ad RNA) e che solo successivamente sia subentrato il DNA, molecola più stabile, come portatore dell informazione genetica. Ancora oggi, in tutti gli esseri viventi, all RNA è affidato il compito di mettere in pratica l informazione genetica, mentre alcune molecole di questo acido nucleico conservano capacità enzimatica (ribozimi) o regolano da coenzimi, l attività di svariate proteine enzimatiche. Nelle pozze d acqua del brodo prebiotico, sempre secondo l ipotesi di Oparin e Haldane, l evoluzione chimica, favoriva l aggregazione delle grosse macromolecole in goccioline colloidali dette COACERVATI. Per comprendere la struttura di queste prime formazioni, bisogna pensarle come delle bollicine molto piccole formate da una membrana lipidica, e aventi forma approssimativamente sferica, contenenti al loro interno acqua, diverse altre sostanze organiche ed enzimi in grado di favorire una serie di reazioni chimiche. Iniziò quindi a nascere una prima forma di METABOLISMO. Tuttavia, i coacervati non erano esseri viventi in quanto mancavano di una proprietà fondamentale di questi ultimi: la capacità di riprodursi. Quando i coacervati furono in Prof. Fulvio Baldanza Pagina 3

4 grado di produrre copie di se stessi, divennero protocellule ossia cellule primordiali, definite PROTOBIONTI. Ormai la vita era iniziata. Da notare, che l origine abiotica della vita sulla Terra è stata resa possibile proprio dalla mancanza di ossigeno che per quasi tutti gli organismi terrestri attuali è indispensabile. L ossigeno è estremamente reattivo e qualsiasi molecola complessa appena formata, in presenza di O 2, sarebbe stata rapidamente ossidata e quindi degradata. Non sarebbero state possibili di conseguenza, la sintesi abiotica e la successiva evoluzione chimica precedenti la nascita dei protobionti. I fossili più antichi, risalenti come prima accennato a circa 3,8 miliardi di anni fa, sono essenzialmente cellule batteriche (PROCARIOTI vedi figura 1), necessariamente Figura 1. Disegno schematico di una cellula procariote anaerobi (in grado di sopravvivere in assenza di ossigeno), forse eterotrofi (non in grado di produrre da sé le sostanza nutritive di cui avevano bisogno) che vivevano in ambienti protetti in genere al di sotto della superficie dei mari primordiali, dove non giungevano le letali radiazioni ultraviolette solari. Questi organismi primordiali si nutrivano principalmente della grande quantità di sostanze organiche complesse formatesi durante i milioni di anni di evoluzione chimica. Comunque, questi organismi a lungo andare si sarebbero estinti una volta esaurite tutte le sostanze nutritive, se alcuni di essi non avessero sviluppato la capacità di produrre le sostanze organiche di cui abbisognavano per il loro nutrimento, a partire dal biossido di carbonio CO 2 (AUTOTROFIA). Questi Figura 2. Albero filogenetico dell'evoluzione dei batteri ancestrali in eubatteri, archeobatteri ed eucarioti. organismi, inizialmente traevano l energia necessaria per la sintesi delle sostanze organiche, da reazioni di Prof. Fulvio Baldanza Pagina 4

5 ossidazione di alcune sostanze (ORGANISMI CHEMIOAUTOTROFI) e prosperavano ad esempio in prossimità di bocche vulcaniche sottomarine o in pozze di fango bollente; in questi ambienti trovavano tutte le sostanze di cui avevano bisogno, come idrogeno, acido solfidrico e ammoniaca. Questi organismi chemioautotrofi utilizzavano l energia racchiusa in queste sostanze per costruire sostanze organiche complesse come i carboidrati a partire dall anidride carbonica. Anche se non hanno avuto un grande successo evolutivo, perché confinati per forza di cose in ambienti estremi che sono andati riducendosi nel corso della storia della Terra, batteri di questo genere esistono ancora e sono definiti Archeobatteri o Archèa. Sono organismi resistentissimi in grado di vivere bene a temperature superiori a quelle dell acqua bollente o a forti concentrazioni di acidi. Tutti i più recenti studi portano quindi a ritenere che i batteri primordiali dovessero essere stati simili agli Archèa. Successivamente, alcuni gruppi di questi batteri antichi diedero origine agli eubatteri, mentre altri furono i progenitori degli archeobatteri e degli eucarioti (Figura 2). Tuttavia, il vero momento nevralgico nella evoluzione della vita sul nostro pianeta è rappresentato dalla nascita degli organismi fotosintetici (FOTOAUTOTROFI). Questi erano in grado di sintetizzare sostanze organiche complesse, come gli zuccheri, a partire da H 2 O (acqua) e CO 2 (biossido di carbonio) sfruttando l energia solare, per mezzo di un pigmento presente nelle loro cellule: la clorofilla. Figura 1. Stromatoliti della Moringa waterhole ad Halali nel Parco Nazionale di Etosha (Namibia), risalenti a 750 milioni di anni fa (Precambriano, proterozoico). Gli organismi autotrofi di maggior successo sono stati proprio i fotosintetici. Si ritiene che le prime cellule fotosintetiche siano nate molto precocemente sulla Terra. Questa idea è avvalorata dal ritrovamento di particolari strutture rocciose mostranti delle striature alterne chiare e scure derivate dalla deposizione di materiale accumulato dall attività di organismi fotosintetici simili a cianobatteri (alghe verdiazzurre). Queste formazioni rocciose vengono chiamate STROMATOLITI ed alcune di esse, ritrovate in Australia occidentale ed in Sudafrica, hanno una età di circa 3,5 miliardi di anni. La figura 3 mostra una immagine di stromatolite, fotografata in Namibia (Africa del sud) da mia figlia Gaia. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 5

6 Come si nota, sono perfettamente visibili le bande alterne di colore scuro e chiaro. Gli organismi autotrofi in grado di fissare chimicamente l energia solare e per questo definiti PRODUTTORI, hanno consentito la sopravvivenza e quindi l evoluzione degli organismi eterotrofi (CONSUMATORI), che di essi si nutrivano, utilizzando indirettamente la stessa energia chimica (potenziale) derivata in definitiva dal Sole. In questo modo si generò un flusso di energia che ancora oggi è in atto, riassunto dal seguente schema: In seguito alla intensa attività fotosintetica di questi microrganismi, protrattasi per milioni e milioni di anni, l atmosfera del pianeta si arricchì progressivamente di ossigeno fino ad una concentrazione attuale di quasi il 21%. L atmosfera terrestre, si trasformò da riducente ad OSSIDANTE, rendendo impossibile qualsiasi nuova sintesi abiotica di sostanze chimiche e di fatto impedendo per sempre la nascita della vita dalla non vita (generazione spontanea). Come già detto infatti, l ossigeno libero è estremamente reattivo e tende rapidamente a decomporre i composti organici ostacolandone la formazione e l accumulo. Inoltre, gli organismi viventi gradualmente evolsero meccanismi biochimici in grado di permettere loro di sopportare la potente azione chimica demolitrice dell ossigeno e successivamente addirittura di sfruttare le proprietà reattive di questo elemento per la liberazione dell energia chimica contenuta principalmente nei carboidrati e nei lipidi nel processo della respirazione (metabolismo aerobico). Questo sfruttamento dell ossigeno libero si è protratto a tal punto che oggi la maggior parte dei viventi non è in grado di sopravvivere che per pochi minuti in un ambiente ANOSSICO. Infine, l attività fotosintetica rese possibile la formazione dello strato di OZONO nell atmosfera, che schermando la superficie terrestre dalle letali radiazioni ultraviolette permise agli organismi viventi la colonizzazione delle terre emerse. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 6

7 Le prime cellule complesse (EUCARIOTI) Se le cellule batteriche procarioti (relativamente semplici e non dotate di vero nucleo circondato da membrana, ma di un semplice addensamento di DNA e proteine chiamato NUCLEOIDE vedi figura 1), si sono formate precocemente nella storia della Terra, la nascita delle cellule più complesse, dette EUCARIOTI (Figura. 4) dotate di un vero nucleo (contenente DNA e proteine e circondato da una membrana) e di vari organuli cellulari, ha richiesto diverse centinaia di milioni di anni. La loro comparsa è datata, per il momento, a circa 1,5 miliardi di anni fa nel periodo Figura 2. Disegno schematico di una cellula eucariote. Proterozoico dell era Precambriana. L ipotesi più accreditata che spiegherebbe la loro origine fu formulata dalla biologa Lynn Margulis nella sua tesi di dottorato e che prende il nome di ipotesi dell endosimbionte. In base ad essa, un procariote eterotrofo fermentatore dovette inglobare, forse per fagocitosi una serie di batteri di dimensioni minori. Alcuni di questi erano in grado di compiere la respirazione, altri la fotosintesi. I primi avrebbero dato origine ai MITOCONDRI e i secondi ai CLOROPLASTI. Questa ipotesi seppure ancora discussa, è oggi avvalorata da una serie di evidenze citologiche e molecolari. La comparsa degli organismi pluricellulari Per un lungo periodo di circa milioni di anni, la vita sulla Terra si espresse esclusivamente in forme unicellulari. Tuttavia, circa 600 milioni di anni fa, alcuni organismi eucarioti unicellulari, forse cellule ciliate, dividendosi durante il processo di riproduzione, diedero origine a cellule figlie che non si separarono. Questo processo, ripetuto per più generazioni portò alla formazione di aggregati di cellule indifferenziate (cioè tutte uguali per forma e funzioni). Successivamente, gruppi di cellule differenti di questi aggregati, iniziarono ad assumere funzioni diverse modificando di conseguenza anche la loro forma, in poche parole, specializzandosi. Quest ultimo importantissimo processo biologico prende il nome di DIFFERENZIAMENTO CELLULARE ed è responsabile della formazione dei diversi tessuti, organi ed apparati in ogni organismo vivente pluricellulare, più o meno complesso. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 7

8 La pluricellularità rappresentò un indubbio vantaggio nel corso della storia evolutiva dei viventi. Un organismo pluricellulare può raggiungere dimensioni maggiori, può vivere più a lungo, perché cellule danneggiate o vecchie possono esser sostituite ed è in grado di sfruttare una più vasta gamma di risorse ambientali. Per tutti questi motivi la pluricellularità determinò una straordinaria accelerazione dell evoluzione portando alla nascita di animali e piante con organismi talora di dimensioni enormi come gli estinti Dinosauri nella classe dei Rettili (generi Argentinosaurus, Giganotosaurus, Diplodocus, Triceratops, etc.), le Balene e Balenottere nella classe dei Mammiferi (generi Eubalena, Balenoptera, Megaptera, etc.) e infine nelle Piante, alle gigantesche Sequoie nordamericane che raggiungono una altezza superiore ai 100 metri ed un peso di molte decine di tonnellate (generi Sequoia, Sequoiadendron). Le comunità animali (fauna) e vegetali (flora), in un primo momento si diffusero negli ambienti acquatici e solo successivamente colonizzarono le terre emerse, diversificandosi durante le centinaia di milioni di anni che seguirono il Precambriano, in un enorme numero di specie. Al fine di comprendere la grande antichità della Terra e degli organismi viventi che la abitano, vale forse la pena di riflettere su un ormai famoso paragone: se i 4 miliardi e 700 milioni di anni di storia della Terra venissero concentrati in un solo anno, un solo giorno di questo anno fittizio corrisponderebbe a circa 13 milioni di anni reali. Il pianeta Terra nasce ovviamente il primo gennaio di questo anno immaginario. Devono trascorrere poi quasi 2 mesi (700 milioni di anni) perché compaiano le prime forme di vita batterica: siamo a fine febbraio. Dopo 8 mesi (circa 3 miliardi e 200 milioni di anni) dalla nascita del pianeta, compaiono i primi Eucarioti. Siamo già a fine agosto! La nascita dei primi organismi pluricellulari avviene all incirca 70 giorni dopo ( milioni di anni dopo), nella prima decade di novembre. Gli Insetti fanno la loro comparsa sulla Terra, sempre durante questo anno immaginario, a fine novembre. Nella seconda decade di dicembre compaiono i Rettili e nella terza decade dello stesso mese i Mammiferi. L Uomo infine, sarebbe apparso tra le ore 16 e le ore 20 del 31 dicembre (tra i 4 e i 2 milioni di anni fa) e la nostra civiltà a cominciare da quella dei popoli più antichi, sarebbe in atto da non più di 1 minuto ( anni fa). Prof. Fulvio Baldanza Pagina 8