Origine della vita: il più grande mistero della scienza

Quali sono le ipotesi più accreditate circa l’abiogenesi? E perché la vita si è originata proprio sulla Terra?

Definizione più ampia di essere vivente: un sistema chimico autosufficiente capace di evolversi (proposta dall’Exobiology Programme della NASA).

I passaggi necessari per l’abiogenesi

Sin dai tempi di Aristotele era convinzione comune che la vita si fosse originata in seguito a generazione spontanea, un fenomeno per cui esseri viventi come vermi e insetti si genererebbero spontaneamente a partire da sostanze organiche (plasmogonia) o inorganiche (autogonia). Questa ipotesi venne ritenuta valida per secoli, poiché mancava una vera conoscenza dell’ambito microbiologico in quanto la comunità scientifica non aveva dato seguito alle osservazioni di Antonie van Leeuwenhoek. Era stato questo mercante il primo a descrivere l’esistenza di protozoi, batteri e lieviti (oltre che degli spermatozoi), nella metà del Seicento.

L’ipotesi della generazione spontanea fu dimostrata errata e finalmente abbandonata nell’Ottocento, grazie a un celebre esperimento di Louis Pasteur. Lo scienziato francese realizzò dei contenitori di vetro dal collo a “s” molto lungo, chiamati matracci a collo d’oca, che riempì con dei brodi alimentari, potenziale nutrimento per microbi. Sterilizzò alcuni contenitori, bollendoli, lasciando inalterati gli altri come controllo. Mostrò così che i microbi proliferavano solo negli alimenti non sterilizzati, mentre in quelli dove le “spore” della vita erano state eliminate, tramite bollitura, non avveniva alcuna generazione spontanea. A tutt’oggi è possibile osservare i matracci contenenti i brodi sterilizzati, ancora inalterati, all’Istituto Pasteur a Parigi.

Attualmente si ritiene che l’abiogenesi sia avvenuta seguendo una serie di passaggi verso una maggior complessità:

1. formazione di sostanze organiche a partire da molecole inorganiche semplici;
2. costituzione di elementi cellulari;
3. sviluppo di organismi viventi semplici, come virus, virioni o batteri, da cui si sarebbero evolute le forme di vita più complesse.

Prima fase: come si originano sostanze organiche?

Negli anni Venti del secolo scorso il biochimico russo Alexander Ivanovič Oparin e il biologo britannico John B. S. Haldane proposero indipendentemente due ipotesi molto simili per spiegare l’abiogenesi. Secondo i due scienziati delle molecole organiche si sarebbero potute generare in un ambiente primordiale riducente, ricco di metano, ammoniaca e acqua, in presenza di fonti energetiche come raggi ultravioletti o fulmini. La teoria venne testata nel 1953 grazie all’esperimento di Miller-Urey, dai nomi del dottorando e del premio Nobel per la Chimica che lo eseguirono. Essi ricrearono in laboratorio l’ipotetica “hot primitive soup” descritta da Oparin e Haldane e la sottoposero a scariche elettriche, a imitazione di fulmini, ottenendo così tre aminoacidi: la glicina, l’alanina e la β-alanina.

Tale risultato è replicabile in condizioni ricche di idrogeno, che si pensa costituisse circa il 30% dell’atmosfera terrestre di quattro miliardi di anni fa. Tali quantità di gas potrebbero essere state insufficienti per la formazione di aminoacidi. Si ipotizza dunque che, in alternativa, la sintesi prebiotica potrebbe essere avvenuta altrove.

• In prossimità dei vulcani. Nel 2008 Johnson e colleghi hanno replicato l’esperimento di Miller-Urey su campioni di gas vulcanici, ottenendo come prodotti ben ventidue aminoacidi e cinque amine.
• Nelle sorgenti idrotermali, spaccature sottomarine della crosta terrestre che rilasciano calore e fluidi acidi ricchi di gas. In queste condizioni è possibile la formazione di aminoacidi a partire da sostanze inorganiche in funzione della concentrazione di queste ultime, della temperatura e del tempo di riscaldamento. Nell’arco di una settimana, però, le alte temperature degradano la maggior parte degli aminoacidi così formati, per cui sono molti gli scienziati che dubitano della concretezza di questa possibilità.
• Su altri pianeti, giungendo sulla Terra per mezzo di comete, meteoriti o altri detriti spaziali.

Seconda fase: quale macromolecola è nata prima?

Il DNA (DeoxyriboNucleic Acid) è la molecola che contiene le istruzioni necessarie alla sintesi delle proteine, che sono fondamentali per il funzionamento e lo sviluppo delle cellule. Il processo di traduzione da acido deossiribonucleico a proteine avviene grazie all’intervento di enzimi (un tipo di proteine), chiamati polimerasi. Il mistero dell’origine della vita si configura dunque come quello dell’uovo e della gallina: il DNA consente la sintesi delle proteine ma affinché questo processo possa avvenire servono le polimerasi, che sono proteine. Dunque sono nate prima le uova (il DNA) o la gallina (gli enzimi)?

Sono tre le ipotesi principali circa la prima struttura organica formatasi: il “genetic-first” approach (secondo cui tutto avrebbe avuto origine dagli acidi nucleici), il “metabolism-first” approach (per il quale si sarebbero avute dapprima le reazioni biochimiche) e il “compartimentalization-first” approach (per cui si sarebbero originate prima le membrane biologiche).

Genetic-first approach

Secondo il modello di Troland-Muller (dal nome dei due scienziati che lo inventarono) la vita sarebbe iniziata a partire dagli acidi nucleici. Diverse osservazioni fanno intuire che l’origine della vita sarebbe partita da purine e pirimidine, le strutture di base di DNA e RNA. In primo luogo, esse hanno un ruolo importante nella sintesi proteica. In secondo luogo la moneta energetica dell’organismo è costituita dal nucleotide adenina e da molecole di fosfato. Si tratta dell’ATP (adenosina trifosfato), essenziale per la vita poiché quasi tutti i processi che avvengono all’interno dell’organismo coinvolgono questa molecola. Infine, negli anni Ottanta Sidney Altman e Thomas Cech dimostrarono che alcuni tipi di RNA potevano fungere da enzimi, detti ribozimi. Questa scoperta portò all’idea del mondo a RNA, un ipotetico periodo storico in cui la Terra sarebbe stata basata sugli RNA.

Queste ipotesi presentano però una problematica: l’RNA non può autoreplicarsi. Gli anelli purinici e pirimidici, infatti, necessitano di enzimi per legarsi ai fosfati, con i quali costituiscono la struttura di base dell’RNA. Per questo motivo sono stati ipotizzati come precursori degli acidi nucleici molecole diverse da RNA e DNA: il PNA (Polyamide Nucleic Acid) nel 1991 Peter Nielsen, il TNA (Threose Nucleic Acid) nel 2000 da Albert Eschenmoser e il GNA (Glycol Nucleic Acid) nel 2005 da Eric Meggers. Si tratta di tre proposte plausibili dal momento che tutte queste molecole sono in grado di formare strutture elicoidali come il DNA, anche se non ve n’è traccia in natura, quindi al momento è impossibile dire se siano veramente stati alla base della vita.

Metabolism-first approach

Sulla falsariga delle teorie di Oparin e Haldane, secondo alcuni scienziati la vita sarebbe iniziata a partire da funzioni metaboliche. Non è ancora stato confermato che vie protometaboliche possano replicarsi ed evolversi, caratteristiche essenziali perché la vita possa svilupparsi. Tuttavia, un punto di forza di tale ipotesi è che le vie metaboliche sono molto più semplici a originarsi delle strutture genetiche.

Compartimentalization-first approach

Lo scienziato italiano Pier Luigi Luisi ha ribattuto al metabolism-first approach sostenendo che il metabolismo richiede compartimentalizzazione, ovvero separazione fra gli ambienti cellulari. La presenza di membrane, infatti, è necessaria per molte funzionalità biologiche, per esempio proteggendo da sostanze chimiche dannose.

La compartimentalizzazione dovrebbe quindi aver preceduto la comparsa del metabolismo. Quest’ipotesi è supportata dal fatto che le molecole lipidiche, in quanto idrofobe, si organizzano spontaneamente in vescicole, potenzialmente originando membrane biologiche. Anche per quest’ultima ipotesi, però, non è confermata, poiché non esistono sufficienti prove a supporto.

Shadow biosphere

Secondo alcuni scienziati, l’abiogenesi potrebbe essere avvenuta più di una volta in condizioni differenti, dando origine a microrganismi con strutture molto diverse da quelle che possiamo osservare oggi. Microrganismi con chimiche uniche sarebbero stati presenti in passato contemporaneamente ai microrganismi basati su fosforo e carbonio, ma solo questi ultimi sarebbero stati promossi dalla selezione naturale. La shadow biosphere hypothesis è nata nel Ventunesimo secolo sulla base della enorme diversità osservabile nei microrganismi oggi esistenti (un numero imprecisato di milioni di specie), come gli estremofili e i microrganismi che ricavano energia dall’arsenico situati nel Mono Lake in California.

Terza fase: dal semplice al complesso

Questo è il passaggio più oscuro: come può essere avvenuta l’organizzazione spontanea di molecole a formare un sistema tanto complesso come quello di un essere vivente? È importante ricordare un caposaldo dell’evoluzione: ogni struttura complessa si è formata grazie alla somma di molte piccole modificazioni.

Una teoria proposta nel 2019 ha tentato di far luce su questo aspetto. Il microbiologo indiano Anindya Das ha suggerito che le molecole organiche primordiali potrebbero essere state sottoposte a una sorta di selezione naturale. In condizioni di sufficiente numerosità, gli scontri casuali fra molecole organiche (facilitati in ambiente liquido) avrebbero formato legami chimici, originando molecole più complesse. Se queste ultime avessero avuto proprietà vantaggiose si sarebbero potute mantenere, dando potenzialmente origine – tramite ulteriori urti – a molecole più complesse e così via. Al contrario, quelle più svantaggiate evolutivamente sarebbero state selezionate negativamente, scomparendo. In tal modo la teoria di Darwin spiegherebbe non soltanto l’evoluzione, ma anche l’origine della vita.

Perché la vita sulla Terra?

Il nostro pianeta si è formato circa quattro miliardi e mezzo di anni fa. La vita sembra essersi evoluta circa 500 milioni di anni dopo. Un lasso di tempo relativamente breve, anche se, come commentò la biologa Lynn Margulis: «Il divario tra l’assenza di vita e un batterio è molto maggiore del divario tra un batterio e l’uomo.» Secondo molti scienziati la Terra ha una serie di caratteristiche peculiari che hanno consentito alla vita di svilupparvisi in modo relativamente facile, diversamente da altri pianeti.

Alta metallicità

Nel linguaggio dell’astronomia sono detti “metallici” gli elementi più pesanti di idrogeno ed elio, formatisi tramite reazioni nucleari all’interno delle stelle. Questi erano assenti nello spazio alla sua nascita e non sono ugualmente diffusi nei diversi pianeti presenti nello spazio. Al momento è impossibile quantificare il grado di metallicità necessario all’insorgenza della vita. Tuttavia è probabile che sia fondamentale la presenza di idrogeno, zolfo, fosforo, ossigeno, azoto e carbonio, i sei elementi che costituiscono le forme di vita terrestri.

L’acqua

Ogni organismo ha la necessità di scambiare sostanze con l’esterno. Per questo motivo la vita si è probabilmente originata in un ambiente liquido: gli scambi di molecole sono molto più semplici, mentre sarebbero impossibili in un ambiente solido e, dato il basso numero di sostanze volatili stabili esistenti, difficili in un ambiente gassoso. L’acqua è la candidata ideale per il ruolo di ambiente promotore di vita essenzialmente grazie alla sua struttura chimica: il legame a idrogeno, infatti, le conferisce una serie di caratteristiche peculiari che favoriscono la vita, come la sua resistenza all’ebollizione e al congelamento. Un altro fattore molto importante è la capacità dell’acqua di schermare le radiazioni nocive per gli organismi viventi.

Le radiazioni e l’ozono

Una molecola può subire trasformazioni chimiche in seguito a eccitazione fotochimica, poiché le radiazioni luminose contengono un’energia tale da poter scatenare reazioni chimiche. In effetti, sulla Terra primordiale le radiazioni solari costituivano la principale fonte di energia, in quanto di gran lunga superiore a quella fornita da scariche elettriche, radioattività, vulcani ed energia geotermica. L’emissione di ultravioletti da parte del Sole potrebbe dunque aver avuto un ruolo importante nella formazione delle prime molecole organiche sulla Terra.

Tuttavia anche la loro schermazione è stata e continua ad essere fondamentale. Non tutte le radiazioni ultraviolette, infatti, sono utili per le reazioni fotochimiche: minore è la lunghezza d’onda, maggiore è il danno molecolare che possono comportare, fino a interferire con le attività biologiche. Le radiazioni ultraviolette si possono suddividere in bande a seconda della lunghezza d’onda: UV-A (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) e UV-C (280-100 nm). Lo strato di ozono oggi presente nell’atmosfera impedisce alla quasi totalità di UV-B e UV-C di raggiungere la superficie terrestre, salvaguardando la vita ivi presente.

La formazione dell’ozonosfera è avvenuta circa tre miliardi di anni fa grazie all’accumulo di ossigeno nell’atmosfera, derivante in larga parte dal metabolismo di microrganismi capaci di effettuare la fotosintesi. Come poteva la vita essersi già formata in presenza di radiazioni così dannose? Si pensa che, prima che si formasse lo strato di ozono, nell’atmosfera fossero già presenti molecole capaci di schermare le radiazioni più dannose lasciando filtrare quelle che determinavano processi fotochimici. Inoltre, anche l’acqua possiede questa capacità di filtraggio dei raggi UV-B e UV-C, ragione per cui si ritiene che nei mari primordiali vi fosse grande attività fotochimica e la vita sopravvivesse.

Il clima stabile

Un requisito per la formazione della vita è un lungo periodo di stabilità climatica di centinaia di milioni di anni. Tale stabilità è stata possibile grazie alla combinazione di diversi fattori che hanno modulato il calore ricevuto dalla Terra.

• L’atmosfera ha e ha avuto un ruolo fondamentale nell’equilibrare la temperatura terrestre. I gas serra in essa presenti assorbono, trattengono e trasportano, grazie ai venti, il calore delle radiazioni solari. In loro assenza, ogni forma di vita primordiale sarebbe stata sottoposta a temperature estreme che l’avrebbero danneggiata.
• La distanza della Terra dal Sole è un giusto mezzo fra il troppo lontano, per cui la Terra congelerebbe, e il troppo vicino, per cui la Terra avrebbe un clima infernale come quello di Mercurio.
• Lo stadio vitale del Sole e la sua dimensione lo rendono una stella compatibile con la vita. Da circa cinque miliardi di anni esso si trova nella fase più stabile della vita di una stella, in cui non vi è variazione né di dimensioni né di temperatura. Data la sua massa (relativamente piccola, trattandosi di una nana gialla – figura 2), il Sole terminerà il suo periodo di stabilità fra altri cinque miliardi di anni.

La Luna

Il nostro satellite pratica un’importante influenza sull’inclinazione terrestre, grazie alla sua massa. In questo, la Luna è molto particolare: in proporzione al suo pianeta è molto grande, motivo per cui vi esercita una grande influenza gravitazionale.

Come mostrato da simulazioni al computer, il nostro satellite minimizza l’oscillazione terrestre. Variazioni di un solo grado, avvenute negli ultimi 41mila anni, sembrano aver determinato le ere glaciali. Se non fosse per la Luna, il nostro pianeta potrebbe oscillare fino a 90°, con conseguenze letali per ogni forma di vita. L’inclinazione terrestre di 23°, inoltre, è responsabile dei cambiamenti stagionali insieme alla rivoluzione intorno al Sole.

Quattro miliardi di anni fa il nostro satellite era molto più vicino alla Terra rispetto a oggi. In conseguenza di questo probabilmente amplificò l’azione della tettonica a placche e l’attività vulcanica e quindi il rilascio di gas serra, che riscaldarono il pianeta compensando la poca attività del Sole dell’epoca. Inoltre, tale vicinanza della Luna determinava maree molto più alte di quelle osservabili oggi, il che si ritiene abbia contribuito all’insorgere della vita perché potrebbe aver causato il rimescolamento della “zuppa primordiale”. In questo modo avrebbe aumentato la possibilità di urti tra sostanze e dunque la probabilità di formazione di nuove molecole.

Tettonica a placche

Secondo la teoria della tettonica a placche, a zolle o delle placche, la litosfera (strato più esterno della crosta terrestre) è suddivisa in diverse zolle rigide in continuo movimento. In questo modo è possibile spiegare fenomeni come l’orogenesi, lo spostamento dei continenti e l’esistenza di vulcani, fosse oceaniche e terremoti.

La tettonica a placche ha una serie di ruoli essenziali per la vita terrestre. Innanzitutto interviene nel ciclo del carbonio, riciclando l’anidride carbonica tramite la creazione di vulcani e dunque contribuendo a mantenere la concentrazione atmosferica di gas serra.

In secondo luogo, essa contribuisce al mantenimento delle condizioni atmosferiche grazie alla sua azione sul campo magnetico terrestre. Questo, infatti, genera la magnetosfera, un campo di forza magnetica esteso per decine di chilometri nello spazio che consente di deviare dalla Terra i raggi cosmici. Tali particelle ad alta energia influenzano la composizione e la temperatura atmosferica mediante meccanismi non del tutto chiari.

Infine, la tettonica delle placche ha contribuito alla creazione dei continenti e continua a modificarli. Questo fattore è importante da un punto di vista naturalistico dal momento che promuove una molteplicità di ambienti che favorisce la biodiversità e dunque la capacità della vita di sopravvivere in caso di potenziali estinzioni di massa.

La tettonica a zolle e soprattutto il suo legame con la vita, gli oceani e l’atmosfera potrebbero essere caratteristici della Terra. Se questo fenomeno fosse essenziale per la formazione di esseri viventi la sua unicità spiegherebbe perché la vita si sia formata solo sulla Terra (ammesso che sia così).

Conclusioni

Per far luce sulla questione è necessario effettuare più simulazioni in laboratorio e svolgere più studi in ambienti vulcanici, zone tidali, argille e superfici minerali. Si pensa infatti che questi fossero gli ambienti diffusi sulla Terra primordiale. Probabilmente, però, non sapremo mai se questo sia vero. Nel caso in cui i nostri studi non dessero frutti, quindi, il mistero dell’abiogenesi potrebbe restare irrisolto… a meno che non riusciamo a osservare la nascita della vita su un altro pianeta.

Referenze

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• Das A. (2019), The Origin of Life on Earth-Viruses and Microbes. Acta Scientific Microbiology 2.2 pp. 22-28.
• Enciclopaedia Britannica – Shadow biosphere.
• Rapf R. J. & Vaida V. (2016), Sunlight as an energetic driver in the synthesis of molecules necessary for life. Physical Chemistry Chemical Physics, 18(30), 20067–20084.
• Treccani – Generazione.
• Webb S. (2015), If the Universe Is Teeming with Aliens… where is everybody?: Seventy-Five Solutions to the Fermi Paradox and the Problem of Extraterrestrial Life.” 2nd edition. Springer Science & Business Media.