vita, origìne della-
Indice
Descrizione generale
Tutti i sistemi biologici, indipendentemente dalla loro complessità, sono costituiti dalle molecole organiche, che hanno uno scheletro strutturale di ossigeno e carbonio, associato agli elementi idrogeno e azoto. Tale uniformità costitutiva, sostenuta anche dall'universalità del codice genetico e dei meccanismi responsabili della sintesi proteica, condivisa da tutti gli organismi, porta alla definizione di una comune origine ancestrale della vita, che in seguito ha subito modificazioni e diramazioni tali da giungere fino alla diversità biologica attuale. Un ipotetico progenitore comune, che a buon diritto viene considerato un organismo procariote eterotrofo, risale a circa 3,5 miliardi di anni fa: le prime tracce fossili di organismi viventi sono simili a Batteri, altre sono alghe azzurre unicellulari, ritrovate nelle selci di Fig Tree, in Sudamerica. Si tratta, quindi, di esseri viventi molto semplici, ma certamente già strutturati secondo le regole ed i principi della vita attuale, e non è possibile affermare con certezza cosa sia successo prima della loro comparsa. Di fatto oggi si tenta di rispondere agli interrogativi relativi ai processi evolutivi che hanno dato come prodotto finale tali prime forme di vita, ed in particolare a ciò che ha determinato la sintesi dei primi amminoacidi, degli zuccheri e dei nucleotidi. Gli sviluppi della biologia molecalare hanno quindi ravvivato l'interesse teorico e filosofico sul problema dell'origine della vita .
Le teorie della generazione spontanea e del creazionismo
Gli interrogativi sull'origine della vita hanno una storia molto antica e che si riallacciano direttamente alla teoria della generazione spontanea, secondo la quale esseri organici talvolta anche molto complessi possono avere origine da sostanza organica, meglio se in via di decomposizione. Questa teoria diffusa sin dall'antichità fu sostenuta dallo stesso Aristotele e si tramandò arricchita di elementi magici e fantastici per tutto il Medioevo. Ancora verso la fine del sec. XVI un medico alchimista fiammingo, van Helmont, pretese di avere sottoposto la teoria a esperimento e di averne tratto risultati positivi, sostenendo d'aver assistito alla generazione spontanea di topi, rane, scorpioni ecc. Ma nel sec. XVII il medico e umanista aretino F. Redi dimostrò, sperimentalmente, quanto meno per gli insetti, che in realtà i nuovi nati derivano da uova precedentemente deposte da individui adulti della stessa specie. Tuttavia, nel Settecento, la teoria risorse e i suoi sostenitori, fra i quali il religioso inglese J. T. Needham e lo stesso grande naturalista francese Buffon, ritennero che i minuscoli esseri osservabili col microscopio allora inventato (per esempio gli infusori) dovessero generarsi spontaneamente. Furono i famosi esperimenti di L. Spallanzani a sconfiggere per la seconda volta la teoria della generazione spontanea, che però nell'Ottocento trovò nuovi seguaci in Francia soprattutto a opera di un naturalista di Rouen, F.-A. Pouchet, che in un volume pubblicato nel 1859 ne rifaceva la storia e riportava i risultati sperimentali favorevoli da lui conseguiti. In questo periodo, il problema della generazione spontanea andò via via sempre più implicando quello più generale dell'origine della vita; storicamente, sostenitori e avversari della teoria non sono connotabili univocamente dal punto di vista di una concezione del mondo in quanto vitalismo, materialismo vitalistico, spiritualismo hanno di volta in volta sotteso questa dottrina. Tuttavia il dibattito sorto intorno al 1860 in Francia si sviluppò fra due concezioni filosofiche precise: materialismo da una parte, spiritualismo dall'altra. Per l'opinione pubblica e scientifica francese in quel momento chi sosteneva la generazione spontanea sosteneva l'origine materialistica della vita. Nonostante i brillanti risultati sperimentali ottenuti da Pasteur e il suo stesso modo di presentarli come conclusivi, assegnando a essi il valore di esperimenti cruciali (“mai la dottrina della generazione spontanea si risolleverà dal colpo mortale che le infligge questo semplice esperimento”), la questione non venne definitivamente chiusa dai suoi esperimenti. Oggi per spiegare l'origine della vita si ricorre ancora a una ipotesi di generazione spontanea sia pure non più a livello organico bensì chimico. Storicamente importante fu anche la teoria creazionista, secondo la quale l'origine della vita si deve attribuire a un intervento soprannaturale. Essa si basa essenzialmente sull'interpretazione letterale del primo capitolo della Genesi, in cui viene descritta la creazione di tutti gli esseri viventi a opera di Dio. Tale teoria risulta sostanzialmente insostenibile da un punto di vista scientifico in quanto non è in grado di giungere a una plausibile spiegazione scientifica dell'origine della vita che poggi su dati sperimentali, e anzi i risultati che la scienza ha conseguito in questo settore della ricerca contrastano nettamente tale concezione. La presunta definitiva sconfitta della teoria della generazione spontanea e l'impossibilità di accogliere la teoria creazionista portarono alcuni scienziati a sostenere l'eternità della vita. La posizione più chiara in proposito fu forse quella espressa dal fisico tedesco H. Helmholtz che così si espresse: “Mi sembra essere un procedimento scientifico perfettamente corretto, quando falliscono tutti i nostri tentativi per ottenere la formazione di organismi dalla sostanza inanimata, il domandarsi se la vita sia mai nata, se essa non sia vecchia quanto la materia”.
Le teorie dell'origine cosmica e della panspermia
In subordine alla teoria dell'eternità della vita venne anche proposta l'origine cosmica della stessa. Questa teoria parte dall'ipotesi che dai pianeti, per il loro rapido movimento, si stacchino continuamente delle particelle solide che viaggiando nello spazio interplanetario possono raggiungere la superficie di altri pianeti, portando con loro spore vitali di microrganismi. Anche le meteoriti vengono indicate come possibili tramiti di germi fra un pianeta e l'altro. Una variante della teoria dell'origine cosmica della vita con pretese di scientificità fu la “panspermia”. Arrhenius, per esempio, si fece sostenitore dell'idea secondo la quale la vita sarebbe ovunque nell'Universo e dimostrò, mediante calcoli semplici e suggestivi, che piccole particelle possono essere trasportate da un pianeta all'altro, in particolare per effetto della pressione della luce e delle correnti d'aria dirette verso l'alto e originatesi nelle sedi delle grandi eruzioni.
La teoria del brodo primordiale
La concezione che per un lungo periodo di tempo ha riscosso maggior credito presso gli scienziati pur con varianti di dettaglio, fa capo all'ipotesi formulata da A. I. Oparin per la prima volta nel 1922 e sviluppata definitivamente nel 1936: secondo tale ipotesi il nostro pianeta nel raffreddarsi avrebbe dato luogo alla formazione di un'originaria atmosfera in cui sarebbe già stato presente il carbonio. In un momento successivo il carbonio sarebbe venuto in contatto con altri elementi che costituivano il globo terrestre, in particolare con metalli pesanti e soprattutto col ferro, reagendo chimicamente con essi e dando luogo alla formazione dei più stabili composti del carbonio, cioè i carburi. Tutte queste reazioni chimiche si svolsero, secondo Oparin, sotto la crosta terrestre non ancora in contatto con l'atmosfera del pianeta in formazione, atmosfera, peraltro, priva inizialmente sia di azoto sia di ossigeno allo stato libero, però ricca di vapore acqueo e alogeni. La trasformazione dell'atmosfera, la formazione degli oceani primordiali e le reazioni chimiche dei composti crostali portarono alla trasformazione dei carburi in sostanze organiche (brodo primordiale) dalle quali trassero origine aggregati (coacervati) microscopici di natura organica, diretti precursori della vita intesa nei suoi aspetti evolutivi. Una prima conferma all'ipotesi di un'originaria atmosfera riducente del nostro pianeta venne nel 1952 da H. C. Hurey, il quale dimostrò che, in presenza di idrogeno in eccesso, metano, ammoniaca e acqua sono le forme stabili del carbonio, dell'azoto e dell'ossigeno. D'altra parte le nubi di polvere cosmica dalle quali si ritiene attualmente derivi la formazione della Terra, contengono idrogeno in eccesso. L'esperimento condotto dall'americano S. L. Miller all'inizio degli anni Cinquanta dimostrò possibile la formazione di sostanze chimiche tipiche degli organismi viventi in condizioni in cui non esiste alcuna forma di vita. Egli partì dal presupposto che l'atmosfera primordiale fosse simile a quella di Giove, cioè altamente riducente perché ricca di metano, ammoniaca, idrogeno e vapore acqueo. Sottoponendo tali composti inorganici a scariche elettriche, che volevano simulare radiazioni ultraviolette e fulmini atmosferici, ottenne la sintesi di alcuni amminoacidi. Un altro passo verso la sintesi artificiale delle proteine, i costituenti della cellula vivente, è stato fatto da S. W. Fox e K. Harada che riuscirono, con trattamento termico, a ottenere dei polimeri formati da 18 amminoacidi. Questi polimeri, detti anche “proteinoidi”, presentano delle caratteristiche che li rendono qualitativamente simili alle attuali proteinee i componenti del nucleo cellulare, i nucleotidi, sono stati sintetizzati in condizioni abiologiche ancora da Fox e Harada nel 1961 e da C. Ponnamperuma nel 1964. È stato quindi possibile ipotizzare la formazione di un brodo primordiale ricco di sostanze organiche di tipo proteico, che si sono progressivamente assemblate per formare dei coacervati, che a loro volta hanno dato origine alle prime forme di vita.
La teoria del mondo primordiale a RNA
L'ipotesi di partenza di una atmosfera primordiale riducente non ha mai trovato, però, grandi sostenitori fra i geologi, i quali ritengono che l'atmosfera primitiva fosse ricca di diossido di carbonio e azoto molecolare, simile quindi a quella attuale ma priva di ossigeno, e pertanto tendenzialmente neutra. Inoltre, alla luce delle conoscenze attuali circa la dinamica della litosfera, dei fenomeni endogeni ed esogeni che agiscono su di essa, e dell'azione dei raggi luminosi, sembra poco probabile che si siano potuti formare grandi accumuli di sostanze organiche: i minerali sottraggono la materia organica all'acqua che si accumula negli oceani, così come l'azione dei raggi ultravioletti è quella di distruggere le molecole biologiche, e non favorirne la sintesi. Di conseguenza per giustificare la comparsa delle prime molecole organiche è necessario ipotizzare qualche altra catena di eventi. Molti consensi incontra la teoria di un mondo primordiale a RNA, la quale afferma che queste molecole, o altre del tutto simili, hanno rappresentato il primo passo nella formazione degli esseri viventi attuali. L'RNA, infatti, possiede capacità catalitiche, può duplicarsi e coordina la sintesi delle proteine. È stato recentemente dimostrato che esistono in natura delle basi puriniche modificate che reagiscono legandosi tra loro spontaneamente. Probabilmente queste hanno giocato un ruolo cruciale anche nel conferire alle prime molecole di RNA le caratteristiche enzimatiche necessarie per la formazione di strutture con funzioni catalitiche (ribozimi), e in particolare per la costituzione di “tasche” idrofobiche; queste sono infatti caratteristiche dei ribozimi, e rappresentano i siti catalitici di legame. Ma in quale modo queste prime piccole molecole organiche, così rare e diluite, hanno potuto incontrarsi ed aggregarsi tra loro? Le ipotesi più recenti prendono in considerazione la struttura rocciosa della crosta terrestre, e in particolare le argille, la cui presenza e abbondanza di distribuzione era notevole già nelle rocce primordiali. Per dare fondamento a tale ipotesi si parte dall'analisi chimica delle argille: queste sono rocce sedimentarie clastiche caratterizzate da frammenti di piccolissime dimensioni, non superiori ai 2 micrometri, formatisi per erosione dovuta ad agenti atmosferici di rocce preesistenti. La litificazione, cioè il lento passaggio da frammenti liberi a rocce coerenti avviene attraverso un insieme di processi che prende il nome di diagenesi: la compattazione dei materiali implica l'azione del peso sovrastante di strati depositati successivamente che, comprimendo quelli sottostanti, riducono gli spazi vuoti, mentre la cementazione è dovuta essenzialmente all'acqua che, circolando fra i pori, porta in soluzione alcune sostanze che gradualmente precipitano e cementano tra loro i granuli; i cementi più comuni sono la calcite e la silice. Quest'ultima polimerizza con estrema facilità, elimina molecole d'acqua e poi si depolimerizza, in base all'acidità dell'ambiente in cui si trova, e in ambienti a pH neutro può reagire con cationi metallici, in particolare con quelli di magnesio, sodio e calcio per formare un polimero misto. È stato dimostrato che in una struttura chimica di questo genere è possibile e riscontrabile l'interposizione di molecole organiche che possono stratificarsi in maniera ordinata nelle argille, se non addirittura reagire chimicamente con esse. Non è quindi da escludere la possibilità che i materiali argillosi abbiano avuto un ruolo nella selezione di particolari complessi organici rispetto ad altri e nella loro disposizione in un ordine specifico. Secondo una corrente di pensiero, l’opzione conservatrice, che basa le sue ipotesi sull'idea che le molecole organiche siano sempre state come quelle attuali, le argille avrebbero agito come sedi di raccolta di materiali e come fattori catalitici nel loro assemblaggio. Infatti i substrati argillosi avrebbero potuto facilitare la reazione di polimerizzazione di molecole organiche a partire dai rispettivi monomeri senza apporto di energia facilitandone il corretto orientamento per l'attuazione di legami; inoltre avrebbero “offerto” gruppi donatori di protoni posti su strati adiacenti. Tenendo conto dell'attuale tendenza, che vede l'RNA come primo passo verso la costruzione di organismi complessi, è stato dimostrato che le condizioni di temperatura e di pH presenti nelle strutture argillose ricche di solfuri avrebbero potuto fornire il luogo fisico ideale per contenere, concentrare e facilitare l'assemblaggio dei primi ribonucleotidi; tale affermazione, però, non è ancora suffragata da dati sperimentali significativi circa la sintesi primordiale di questi elementi monomerici. L’opzione radicale ipotizza la presenza di organismi primordiali costituiti da componenti argillosi, in seguito sostituiti da quelli attuali. Tale ipotesi, più estrema, si basa sulla considerazione che non si può escludere l'esistenza ancestrale di materiale genetico, cioè in grado di conservare un'informazione e di trasferirla alle generazioni successive mediante la riproduzione, del tutto diverso da quello attuale: durante l'evoluzione è stato gradualmente sostituito da sistemi più efficienti quali l'RNA e in seguito il DNA. Tale prima origine della vita ipotizza la formazione di geni minerali cristallini, composti da argille con una particolare distribuzione delle cariche, o provviste di strutture di superficie caratteristiche, o costrette da particolari regole di impilamento; queste caratteristiche strutturali potrebbero rappresentare “l'informazione” per una crescita che può avvenire solo seguendo le stesse regole dell'argilla madre. In una situazione di questo genere si sarebbe facilitato l'assorbimento, l'aumento di concentrazione locale e l'assemblaggio delle prime materie organiche, che sarebbe potuto avvenire solo seguendo le regole strutturali imposte dall'argilla stessa. Si sarebbero organizzati così i primi sistemi organici, corrispondenti al fenotipo, che avrebbero obbedito a regole imposte da un sistema di controllo di origine minerale, che in questo caso rappresenterebbe il genotipo. Una volta sviluppata la capacità di duplicazione, tali materiali organici, probabilmente le prime molecole di RNA, non avrebbero più avuto bisogno di questo controllo genetico, e in seguito la selezione naturale li avrebbe favoriti perché in grado di conservare e trasmettere l'informazione genetica in maniera più efficiente: le conoscenze della geologia dimostrano infatti che le variazioni ambientali generano dei cambiamenti nella deposizione e nella conformazione di tutte le rocce, e delle argille in particolare; questo, in termini genetici, corrisponderebbe alla perdita di informazione..
Bibliografia (per l'origine della vita)
A. I. Oparin, L'origine della vita sulla Terra, Torino, 1956; C. M. Waddington, The Nature of Life, Londra, 1961; J. D. Bernal, The Origin of Life, Londra, 1967; A. P. Kimball, J. Oro (a cura di), Prebiotic and Biochemical Evolution, Amsterdam, 1971; E. Padoa, L'origine della vita sulla Terra, Torino, 1971; C. Ponnamperuna, The Origin of Life, Londra, 1972; J. Monod, Il caso e la necessità, Milano, 1973; M. Ageno, Dal non vivente al vivente, Roma, 1991.