Quando la Vita prende Vita

Bacteria e Archaea sono i due regni microbiotici che costituiscono il dominio dei procarioti, cellule della dimensione di pochi micrometri, prive della membrana nucleare, autonome per quanto riguarda movimento, alimentazione e riproduzione, invisibili a occhio nudo, appena visibili al microscopio ottico. Se non si considerano forme di vita i virus, in quanto capsule di informazione parassitarie, incapaci di proliferare individualmente, allora batteri e archei sono i più semplici organismi conosciuti. Tutto bene, giusto? Alle scuole superiori la maggior parte di noi è stata costretta ad affrontare lo studio della tassonomia dei microorganismi, partendo dalle brulicanti colonie di stafilococchi per arrivare ai solitari e avventurosi parameci. A quel punto si passava al mondo degli invertebrati, costituito da spugne, polipi, anellidi, molluschi, echinodermi, crostacei, e insetti. Chi ricorda le decine di pagine del manuale di biologia dedicate alla vita marina si renderà  conto di quanto le classi di animali a noi più vicine – pesci, anfibi, rettili, uccelli, mammiferi – siano solo i rami più superficiali dell’immenso roveto della vita (Stephen Jay Gloud consigliava di abbandonare la metafora dell’albero a favore di quella del cespuglio) la cui base è un sovrabbondante sottobosco di percorsi evolutivi divergenti. Ancora più in basso il fertile humus da cui si originò la biodiversità consiste nel mondo microbico, presso cui ogni granello di terriccio rappresenta una specie diversa di batterio. La maggior parte delle persone convive pacificamente con l’idea che un qualche progenitore comune abbia dato origine ai due grandi regni procarioti, i quali hanno avviato l’evoluzione delle prime cellule eucariote, che a loro volta hanno permesso la fondamentale biforcazione tra vita pluricellulare e vita protistica. Immaginiamo questo progenitore. Era una cellula, diremmo, altrimenti non avrebbe potuto generare due linee differenti di cellule; e doveva avere un RNA, poichè, in fondo, le differenze tra batteri e archei sono innanzitutto genetiche. Ma prima? La terra ci viene a mancare sotto i piedi, letteralmente.

treeoflifePiù che un albero (o un cespuglio) lo “schema
della vita” a me ricorda una scala a chiocciola.

Approfittando della metafora coniata dal famoso astronomo Frank Hoyle, e citando Paul Davies, è più facile credere ad un tornado che passando attraverso un deposito di rottami riesce ad assemblare un Boeing 747 funzionante che ad un batterio nato dal nulla. Charles Darwin nel 1859 ebbe un’idea rivoluzionaria, che si dimostrò in grado di spiegare la varietà della vita sulla base di principi semplici, e che permise di smantellare il mito teleologico che vedeva nell’avvento dell’uomo un intervento divino. Egli stesso tuttavia, quando venne interrogato sull’origine della vita, si scansò, rispondendo ironicamente: “uno potrebbe allo stesso modo speculare sull’origine della materia”. Possibile che la comparsa dell’uomo (e di ogni altra specie vivente) sia spiegabile nei termini relativamente semplici di mutazione e selezione su tempi molto lunghi, mentre davanti a un minuscolo batterio la ragione umana debba arrendersi al miracolo?

Si potrebbe scrivere un libro intero su ciascuna delle teorie proposte per spiegare come sia stato possibile per la materia organizzarsi al punto da prendere vita. L’idea molto generale e trasversale di Stephen Johnson, applicabile al mondo culturale come a quello organico, è che una sostanza come il carbonio, in grado di stabilire legami forti con altri elementi (e con sé stesso), inserita in un ambiente turbolento e chimicamente ricco, non possa non lanciarsi in un’incessante sperimentazione combinatoria. Un atomo di carbonio disciolto nel brodo primordiale è in grado di aggregarsi agli elementi liberi in modo da formare solo una manciata di composti, ma questi composti, rimbalzando l’uno contro l’altro, finiscono per sommarsi e ricombinarsi in una continua esplorazione di quello che egli chiama l’adiacente possibile. Nel 1952 Stanley Miller, in uno dei laboratori dell’università di Chicago, dimostrò che in appena tre giorni un brodo composto di acqua, idrogeno, metano e ammoniaca, periodicamente elettrificato, arrivava a produrre una gran quantità di amminoacidi, i mattoni fondamentali della vita. Fu un risultato stupefacente, tanto da essere ancora riportato nei manuali di scienze naturali, ma fu anche largamente sopravvalutato. Il deposito di rottami citato sopra era anch’esso pieno di materiali interessanti, ma ugualmente nessun aereo si formava al passare del tornado. Proseguendo sul sentiero tracciato dalla metafora di Hoyle, si potrebbe paragonare uno stagno tiepido popolato da molecole organiche ad un’officina piena di lastre di alluminio, di rotoli di tappezzeria, di tolle di vernice antiruggine: senza dubbio essa è più vicina al prodotto finito di quanto possa esserne una vuota, ma senza un intervento di pianificazione specialistica tale resterà per sempre. Il mistero della nascita della vita era stato solo lievemente intaccato.

boeingAssemblaggio finale del Boeing 747
presso la Boeing Everett Factory

Negli ambienti chimici del Precambriano non esistevano ingegneri aereospaziali o ingegneri dei materiali. Non esistevano macchinari per l’assemblaggio, ambienti di stoccaggio, designer di interni, periti chimici, operai specializzati o esperti in propulsione. Eppure intorno a 4 miliardi di anni fa il brodo primordiale si stava complessificando in modi inaspettati. Oggi è ritenuto probabile che le prime forme di organizzazione biologica siano state le antenate dei fosfolipidi: a furia di rimbalzare uno contro l’altro, carbonio, idrogeno, fosforo e ossigeno finirono per originare corpuscoli dalla testa idrofila e dalla coda idrofoba, spinti dalla loro morfologia a disporsi in sottili strutture impermeabili a doppio strato. Era nata la membrana cellulare.
Contemporaneamente comparivano le prime forme di RNA, catene di gruppi aminici costituiti da idrogeno e azoto. La teoria del mondo a RNA, avanzata dal premio Nobel Walter Gilbert nel 1986, proponeva uno schema di evoluzione chimica secondo il quale alcuni composti dalle proprietà enzimatiche avrebbero assunto una forma filiforme parzialmente regolare, in grado di codificare la stessa informazione che ne permetteva il funzionamento. Gli enzimi ribonucleici erano stati teorizzati alla fine degli anni 60, e definitivamente scoperti nel 1982 da Thomas R. Cech, che li nominò ribozimi. Un ribozima può contemporaneamente catalizzare trasformazioni importanti nel brodo primordiale e contenere le informazioni necessarie perché tali trasformazioni siano catalizzate: si trattava insomma di codici biochimici capaci di agire a proprio favore. Come? In primo luogo autoreplicandosi. Quando si discute della nascita della vita, un collo di bottiglia molto stretto attraverso si è obbligati a fare passare la propria teoria è quello della replicazione cellulare. Il modello di Gibson, che contemplava un genere di RNA capace di duplicarsi anche in mancanza di strutture ribosomiali, si dimostrò insieme abbastanza potente e sufficientemente essenziale da poter spiegare i primi stadi dell’evoluzione. Ad esempio una catena molecolare potrebbe possedere delle caratteristiche chimiche o elettriche che le consentano di accrescere le proprie dimensioni (una proprietà di catalizzazione enzimatica), consentendole di colonizzare l’ambiente circostante attraverso una specie di gemmazione. Tuttavia quei ribozimi che sfruttarono questo principio entrarono presto in collisione a causa della scarsità di spazio e di risorse, generando una vera e propria arena di competizione proto-biologica. Dal momento che chi è più adatto a sopravvivere e a moltiplicarsi diviene dominante, trionfarono gli individui che possedevano le caratteristiche più utili e vennero favorite quelle mutazioni che introducevano novità adattive. Il fatto che si possa argomentare a favore di una selezione darwiniana avvenuta in ambiente chimico quasi quattro miliardi di anni fa permette di capire quando l’idea di Darwin sia stata rivoluzionaria per le discipline più disparate. Immaginiamo una catena ribozimica che sta agganciando nuove molecole per incrementare la propria lunghezza. Durante questo processo potrebbe casualmente crearsi un legame di nuovo genere, ad esempio a causa di anomalie termiche, e tale legame potrebbe dimostrarsi proficuo. Un momento importante nell’evoluzione della vita è probabilmente stato l’ancoraggio tra un ribozima ed una membrana fosfolipidica in grado di circondarlo parzialmente,  proteggerlo da incontri con sostanze dannose e  isolarlo da pericolose fluttuazioni termiche. Un passo in più verso la formazione della prima cellula.

StromatolitesNel 2002 William Schopf  pubblicò un controverso
articolo su Nature, affermando che le formazioni
geologiche 
dette “stromatoliti” , datate 3,5 miliardi
di anni fa, 
sarebbero composte da strati di alghe
microbiche 
fossilizzate. Se fosse vero, si tratterebbe
della prima forma di vita conosciuta sulla Terra.

Potremmo non essere mai sicuri di come la vita sia emersa dal ribollente caos primordiale. Nei prossimi anni assisteremo quasi sicuramente alla costruzione in provetta dei primi microorganismi sintetici, ma, per quanto potrà essere significativo quel momento, difficilmente farà luce sul modo in cui sono andate realmente le cose. Tuttavia gli strumenti della logica ci permettono di riflettere sulla comparsa della vita e trarre conclusioni importanti circa il suo significato. Intanto dovrebbe oramai essere chiaro che la distinzione tra vita e non vita non è che un semplice fatto di convenzione linguistica, utile, oggi, per separare il regno biologico da quello minerale, ma poco appropriato scientificamente. L’evoluzione è sempre proceduta per passi discreti, ma i cambiamenti avvenuti nelle strutture organiche si dimostrarono tutti troppo piccoli perché fosse possibile tracciare una linea netta in grado di separare il regno animato da quello inanimato. Anche se molte persone adorano crederci, nessuna linfa vitale ha mai messo in moto la materia e nessun respiro divino ha mai destato l’universo. Addirittura, la teoria dell’argilla, proposta da Alexander Graham Cairns-Smith all’Università di Glasgow nel 1985 postula la formazione graduale di molecole organiche complesse su una piattaforma inorganica preesistente, presumibilmente cristalli in soluzione. Per un lungo periodo di tempo una varietà di silicati autoreplicantesi e in grado di competere grossolanamente sarebbero coesistiti con costruzioni biologiche sempre più articolate. La roccia che ha garantito il substrato alla proliferazione organica era viva? Saremmo poco inclini ad affermarlo. Sicuramente la comparsa della vita si situerebbe a un certo punto del continuo di Cairns-Smith, ma non è possibile, e non sarà mai possibile, dire in quale momento ciò sia avvenuto.

Un’altra questione filosoficamente molto rilevante riguarda la possibilità che la vita sia comparsa sulla Terra più di una volta, indipendentemente. Considerando la storia biologica una lunga catena di eventi chimici tra di loro connessi causalmente si è indotti a pensare che l’organizzazione organica cellulare sia stata il prodotto un lungo cammino progressivo dal semplice al complesso. Ma se invece il cocktail costituito di acqua e aminoacidi fosse stato molto comune sulla Terra precambriana e forme diverse di materiale genetico siano comparverse separatamente? A volte viene difficile credere che un’unica forma di proto-vita abbia finito per diffondersi ovunque nel globo, dalle pozzanghere salate ai margini del mar Morto fino alle profondità abissali dell’Oceano Pacifico. Perché escludere la possibilità che il particolare tipo di batterio estremofilo in grado di resistere ai geyser magmatici in fuoriuscita dalla Dorsale Atlantica abbia attraversato una propria evoluzione, senza derivare da forme di vita migranti? (Anche perché probabilmente qualsiasi microorganismo si fosse avvicinato a quei fondali sarebbe stato disintegrato dalle alte temperature e dalla mostruosa pressione). Diverse specie di estremofili sono state analizzate in laboratorio – anche se alcune hanno sospettatamene resistito alle tecniche di coltivazione – dimostrandosi senza dubbio appartenenti al ceppo evolutivo che include tutti i batteri conosciuti, ma la maggior parte della fauna microbica planetaria è ancora in attesa di venire prelevata e classificata. Cosa succederebbe se scoprissimo che alcuni microorganismi posseggono membrane cellulari costruite attorno a nuclei di arsenico invece che di fosforo? Come abbiamo visto il fosfolipidi di membrana sono stati presumibilmente i primi assembramenti organici comparsi nel brodo primordiale, per cui dei batteri ad arsenico sarebbero, a tutti gli effetti, alieni. Alieni che da sempre prosperano in grembo alla Terra. Qui le conseguenze filosofiche diventano vertiginose: un universo in cui la complessità biologica è in grado di originarsi più di una volta sullo stesso pianeta non può che essere un universo brulicante di vita. La biosfera non verrebbe più considerata un accidente limitato al nostro insignificante pianeta, ma diventerebbe un concetto cosmologico. E la ricerca di vita extraterreste diventerebbe una priorità della scienza.

Bigliografia
Richard Dawkins, The Selfish Gene, 1976
Richard Dawkins, The Blind Watchmaler, 1986
Christian De Duve, Vital Dust, 1996
Paul Davies, The Eerie Silence, 2010
Steven Johnson, Where Good Ideas Come From, 2010

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10 risposte a “Quando la Vita prende Vita

  1. Complimenti per la chiarissima sintesi delle avvincenti scoperte e teorie che rappresentano lo stato attuale delle conoscenze riguardo ad un argomento tanto oscuro. Come insegnante di scienze naturali chiedo il permesso di farlo conoscere ai miei ragazzi del liceo.

  2. Certamente, Leonardo, ne sarei lusingato! Poi fammi sapere che ne pensano i tuoi studenti! Grazie mille per i complimenti, un saluto.

  3. Bellissimo articolo, complimenti!!

  4. Gentile Alberto, lei ha il dono della divulgazione scientifica. Non smetta, coltivi questa sua straordinaria abilità.

  5. Grazie Roberto, grazie Paola! Purtroppo in questo periodo tra lavoro e università (ultimi esami + tesi) ho davvero troppe cose per la testa per aggiornare regolarmente il blog. Però, attendendo che riprenda a pubblicare, c’è tanto materiale che potete recuperare negli archivi. Fatemi sapere se è di vostro gradimento, poi 🙂

  6. Salve, mi unisco al coro degli elogi. Lei ha del talento nella divulgazione.
    Però, una domanda, anzi, una richiesta: Lei approfondisce, nello spazio giusto di un blog, l’Evoluzione, ma salta a piè pari il fatto che la Vita, intesa come da Lei descritta (la nascita), è solo una fase successiva alla materia. Le dico questo perché sono arrivato a questo articolo di rimando da “Provaci ancora, Frank”. Il Darwin che dice “…Allora potremmo fare questo discorso anche per la materia…”, foriero d’ingegno secondo me, SPOSTA il problema su chi abbia Creato (o non) la STRUTTURA, ove, poi la Vita abbia potuto cimentarsi in combinazioni. Causa ? Quark, struttura fine, rapporto atomico, etc. ed altre cose che Lei già conosce… La ricerca scientifica, come risponde alla domanda principe ?

    • Piacere Marco. Sono contento che lei abbia apprezzato l’articolo e le riflessioni in esso contenute.
      La sua domanda è pertinente e i suoi dubbi fondati, nonostante io abbia dedicato dello spazio a sottolineare come vita e materia siano da considerarsi un continuo – come le prime strutture organiche non si possano considerare ancora vive e come la teoria del mondo ad argilla possa individuare uno step di vita inorganica prima dell’avvento di quella organica.
      Ma una volta chiarificate queste trasformazioni lei, legittimamente, chiede di spostare l’attenzione sul mondo precedente, quello della fisica. Può anche questo considerarsi frutto di un’evoluzione? Da dove derivano le sue caratteristiche? Perchè esso è proprio così come lo vediamo?

      A questo riguardo io sono un po’ meno informato ma nondimeno le posso assicurare che le scienze offrono delle teorie dettagliate sul modo in cui l’universo è nato e si è stabilizzato come lo vediamo oggi. Un esempio classico è la complessificazione delle strutture fisiche nei primi momenti di vita dell’universo, con la comparsa e la compattazione dei quark a formare i nuclei degli elementi più leggeri che poi progressivamente catturarono gli elettroni necessari per creare gli atomi completi. Il carbonio, che è alla base della nostra biologia, comparirà solo molto più tardi, come conseguenza della combustione stellare. E dovrà aspettare la detonazione di stelle supermassive in supernove perchè si possa disperdere nel cosmo.
      L’universo si è indubbiamente trasformato seguendo leggi ben precise e come i risultati della sua evoluzione possono essere osservati allo stesso modo è possibile teorizzare le modalità di tale evoluzione e creare dei modelli anche molto particolareggiati e farli interagire. In questo grande lavoro collaborano astrofisica, astronomia ed ingegneria e sono coinvolte sia professionalità teoriche sia pratiche. Una branca nuova molto promettente si chiama cosmologia quantistica: https://it.wikipedia.org/wiki/Cosmologia_quantistica

      Infine se i tuoi dubbi vogliono farsi ancora più stringenti ci si potrebbe chiedere perchè certe costanti abbiano proprio i valori rilevati e non altri. A questa domanda non possono ancora rispondere completamente le scienze citate anche se forse ci arriveranno. Per il momento ci si può accontentare di quadri teorici a cavallo tra scienza e filosofia come il principio antropico (https://it.wikipedia.org/wiki/Principio_antropico) o il darwinismo cosmologico (https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Darwinism). Quest’ultimo in particolare sembra essere molto vicino alle domande che ti stai ponendo.

      Per quanto riguarda Dio credo di essermi già espresso qui sul blog ma ribadisco la mia posizione: dal mio punto di vista non esiste, non è esistito e non esisterà mai nulla di sovrannaturale. Per ora mi sembra di aver messo abbastanza carne al fuoco ma se ti interessa posso argomentare a riguardo.

      Nella speranza di essere stato di aiuto,
      i miei migliori saluti.

  7. Salve, sono ammaliato dal tempo che Lei, molto gentilmente, ha dedicato alla mia umile persona. Purtroppo, è come Lei sa in ricerca, c’è sempre un purtroppo (anche in filosofia, disciplina, che come avrà capito, non è la mia).
    Volevo mettere i due punti ma sarei stato oltremodo spavaldo.
    Le Grandi questioni che Lei pone (e come ogni persona sana di mente dovrebbe fare, ovvero riportare le fonti, come Lei) sono a tutti note. L’antropismo leggero, il medio, o altre questioni simili, ritraggono (mi scusi) il fondo del Suo argomentare, solo a posteriori. Mi spiego meglio. Lei contesta (e non ho condizioni NECESSARIE E SUFFICIENTI per poter confutare) la non, scusi, la completa Impossibilità di una causa incausata. Il mio verbo la legge come Lei, ma ogni tanto, tra stringhe, “superstringhe”, 100 alla 500 dei multiversi, rimbalzo del momento 10 alla meno 43 secs, sà, mi ricorda qualcosa ….

  8. Salve, rileggendo il post fatto, mi rendo conto di essere stato sintetico, forse un po’ troppo. Sono certo che Lei abbia capito, ma non volevo creare malintesi, indi aggiungo.
    La Scienza (Galileo Docet), intesa come progresso, avanzamento dell’intelletto, hanno, ed avranno, sempre quella “miscela” di Newton e Einstein. Purtroppo arrivano anche i Planck, i Hesenberg (il nome vado a memoria), i matti veri Schorindger (questo si); ma Lei ricorda la funzione d’onda ? Il caos terminale di ogni persona che voglia approfondire ? Quelli che si chiedono, non chi siamo (d’altronde), ma cosa siamo … Cosa è TUTTO ? Ridurre il tutto a qualunque (almeno fino ad oggi) risposta, saggaimente, mi sembrerebbe quantomeno, azzardato”. Il determinismo, che droga.
    Ho voluto finire con una battuta, per poterla ringraziare.
    Best regards.

  9. Capisco il punto di vista ma sono più ottimista di te nei confronti degli strumenti della scienza. Ricambio i ringraziamenti, a presto!

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