Trovare la ricetta della vita sulla Terra Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. Per l’origine della vita sulla Terra, sono stati determinanti tre fattori – ma quale è stato il primo? Recenti ricerche possono aiutare a risolvere la controversia.

Fermatevi un momento a considerare voi stessi: pensate ai vostri occhi che leggono questo testo, al vostro cervello che lo assimila e al vostro corpo che contiene e alimenta questi organi. Chiedete a voi stessi: come ha fatto a comparire questa complessa macchina biochimica? Si tratta di una domanda profonda, che ha stimolato gli scienziati per secoli. Charles Darwin ha dato una risposta parziale con la sua teoria dell’evoluzione, spiegando come ciascuna specie emerga da una più antica.

Se voi ripercorrete l’evoluzione abbastanza indietro nel tempo, ci deve essere stato un momento in cui si sono formate le cellule stesse – l’origine della vita, che è avvenuta oltre 4 miliardi di anni fa. Oggi i ricercatori stanno tentando di risolvere il rompicapo di come esattamente questo sia avvenuto, ma, dato che è accaduto così tanto tempo fa, è un compito estremamente difficile.

Artwork depicting the formation of protocells in the early history of life on Earth
Rappresentazione artistica della formazione delle protocellule agli inizi della storia della vita sulla Terra.
Richard Bizley/Science Photo Library
 

La comparazione delle moderne forme di vita sulla Terra fornisce solidi argomenti sul modo in cui la vita si è originata. In cose importanti, noi esseri umani siamo più simili ad alberi, insetti, batteri e tutte le altre forme di vita di quanto possa sembrare a prima vista. In primo luogo, tutte le specie usano molecole simili per trasmettere informazione genetica: acido ribonucleico (RNA) e acido desossiribonucleico (DNA). In secondo luogo, le cellule di specie differenti appaiono abbastanza simili tra loro – anche gli organismi unicellulari condividono caratteristiche con le cellule degli organismi più grandi. Infine, è molto simile il modo in cui tutte le cellule ricavano, attraverso il metabolismo, l’energia necessaria per i loro processi biochimici. Questo argomento porta a sostenere l’idea che tre fattori chiave sono stati essenziali per lo sviluppo della vita sulla Terra: acidi nucleici (RNA e/o DNA); una membrana, o un qualunque altro modo di racchiudere il contenuto cellulare; e il metabolismo.

I ricercatori avanzano sempre nuove idee su come può essersi originata la vita, ma un importante argomento di dibattito è stato il problema di quale dei tre fattori chiave sia comparso per primo. Più di recente, comunque, è emersa una nuova idea che potrebbe risolvere la questione: e se tutti e tre i fattori fossero comparsi allo stesso tempo?

Esperimenti sulla Terra giovane

Noi sappiamo da tempo che le molecule organiche si possono formare nelle condizioni che potremmo avere trovato quando la Terra era giovane. Il più famoso dei primi passi che ci hanno condotto alla comprensione dell’origine della vita, è l’esperimento di Stanley Miller e Harold Urey del 1952 (Miller, 1953). Innescando scariche elettriche all’interno di ampolle contenenti acqua, azoto, metano e idrogeno, si sono prodotte alcune sostanze organiche, compresi degli amminoacidi. Tuttavia, questo non ha potuto spiegare molti aspetti della comparsa della vita, poiché non si sono formate altre importanti molecole biologiche, come gli acidi nucleici.

Illustration of Miller and Urey’s 1952 experimental setup
Illustrazione dell’esperimento di Miller e Urey del 1952
Nicola Graf
Water vapour: Vapor d’acqua;
Electrode: Elettrodo;
Condenser: Condensatore;
Cold water: Acqua fredda;
Cooled water containing organic compounds: Acqua raffreddata contenente composti organici;
Sample of chemical analysis: Esempio di analisi chimica

 

Nei primi anni ’80, Tom Cech e Sidney Altman fecero la scoperta, degna del premio Nobel, dell’esistenza di enzimi formati da RNA, detti ribozimi. Poiché l’RNA può decodificare l’informazione genetica e i ribozimi possono manipolarla, gli scienziati hanno suggerito che l’RNA ha permesso da solo la comparsa della vita, prima che fossero presenti gli altri fattori. Questa idea è nota come ipotesi del “mondo a RNA”.

John Sutherland, che ora lavora al Laboratorio di Biologia Molecolare al Medical Research Council (MRC) di Cambridge, in Gran Bretagna, è tra coloro che hanno trovato  prove che apparentemente confermano il caso di un mondo a RNA. Nel 2009, il suo gruppo ha dimostrato come un ribonucleotide potrebbe formarsi in condizioni che potrebbero essere esistite nella giovane Terra (Powner et al., 2009).

Successivamente, il gruppo di Sutherland ha cercato un modo migliore di produrre zucchero riboso. I ricercatori hanno dimostrato di poterlo produrre dalla formaldeide, sebbene questa via fosse “veramente complicata e difficle”, osserva Sutherland. Il suo gruppo ha quindi esplorato una via alternativa, usando solo cianuro di idrogeno, acido solfidrico e luce ultravioletta. Insieme allo zucchero riboso, sono stati in grado di ottenere oltre 50 diverse molecole, comprese alcune che potrebbero generare amminoacidi – che potrebbero assemblarsi per formare le proteine che costituiscono la struttura fisica e le macchine enzimatiche delle cellule viventi. Produrre insieme zuccheri e amminoacidi è un progresso importante, poiché le cellule decompongono gli zuccheri nel metabolismo per ricavare l’energia di cui hano bisogno (Ritson & Sutherland, 2013).

Nel 2015, il gruppo del MRC ha dimostrato che gli stessi sistemi chimici producono molecole grasse che possono formare le pareti cellulari, definendone la forma (Patel et al., 2015). Questo sistema presenta anche delle analogie con lo stesso metabolismo. “Consuma piccole molecole e produce molecole più grandi”, dice Sutharland. “Questo suggerisce che tutti i sottosistemi potrebbero essere comparsi contemporaneamente”.

Partendo da qui, nel 2019 Sutherland e i suoi colleghi hanno pubblicato uno studio nel quale suggeriscono che RNA e DNA potrebbero essere comparsi contemporaneamente, togliendo quindi ulteriore sostegno all’ipotesi del mondo a RNA (Xu et al., 2019).

Artwork showing an evolving protocell. Fatty acids (blue molecules with spherical heads) form an outer membrane
Illustrazione di una protocellula in evoluzione. Acidi grassi (molecole blu con teste sferiche) formano una membrana esterna.
Henning Dalhoff/Science Photo Library

Luogo di origine

Come Sutherland, anche Frances Westall, al Centro di Biofisica Molecolare di Orléans, in Francia, ritiene che i tre fattori determinanti per la comparsa della vita siano apparsi contemporaneamente. La sua opinione è che le reazioni responsabili sarebbero avvenute sulla superficie dei minerali. I chimici del suo gruppo parlano di una “protocellula”, con una macchina metabolica a RNA contenuta in una minuscola sacca minerale. Alla fine, le molecole lipidiche grasse avrebbero formato una parete di rivestimento dentro la sacca, dando alle cellule la forma che conosciamo. “A seconda dell’ambiente”, dice Westall, “le concentrazioni di lipidi, proteine e RNA nelle matrici porose dei minerali, si sarebbero assemblate per formare una cellula con una membrana”.

Westall e altri sono alla ricerca del luogo dove la vita potrebbe essere comparsa, studiando i pori minerali nei condotti sottomarini profondi che emettono fluidi alcalini caldi. Il suo gruppo ha trovato possibili esempi in rocce sudafricane (Westall et al., 2018). “Sebbene le temperature nei condotti possano superare i 300°C, di gran lunga troppo calde per la preservazione di proteine e altre molecole essenziali, l’acqua marina circostante è a solo 2°C”, dice Westall. Il gradiente  di temperatura provoca un flusso d’acqua che facilita la circolazione dei composti chimici e può anche fornire l’energia per il metabolismo. Come spiega Westall, “Gli edifici dei condotti sono pieni di minerali riducenti che possono essere ossidati per fornire energia per reazioni prebiotiche e superfici per la concentrazione dei composti organici, oltre a varie combinazioni e formazioni strutturali”. Altri ricercatori hanno anche suggerito che in ambienti simili potrebbero essersi evolute le pompe cellulari di ioni – proteine che regolano il flusso di ioni attraverso le membrane cellulari (Lane & Martin, 2012).

Evidence of Earth’s earliest life forms has been found in hydrothermal vents
Nei condotti idrotermali si sono trovate evidenze sulle prime forme di vita sulla Terra.
NOAA/Wikimedia Commons, dominio pubblico
 

Tuttavia, la ricerca degli ambienti con le giuste condizioni di chimica ed energia per sostenere il metabolismo e permettere alle cellule di formarsi si rivolge anche a luoghi come le aree vulcaniche costiere, le zattere di pomice galleggianti e i geyser. Un’ipotesi ancora più speculativa aggiunge anche i meteoriti a questa lista: nel 2014, si è scoperto che rocce raccolte nel cratere largo 24 km di Ries, nella Germania meridionale, formato circa 14.6 milioni di anni fa dall’impatto di un meteorite, contengono microscopiche strutture a forma di tubicini, che possono essere collegate all’attività biologica (Sapers et al., 2014). Tuttavia, la ricerca degli ambienti con le giuste condizioni di chimica ed energia per sostenere il metabolismo e permettere alle cellule di formarsi si rivolge anche a luoghi come le aree vulcaniche costiere, le zattere di pomice galleggianti e i geyser. Un’ipotesi ancora più speculativa aggiunge anche i meteoriti a questa lista: nel 2014, si è scoperto che rocce raccolte nel cratere largo 24 km di Ries, nella Germania meridionale, formato circa 14.6 milioni di anni fa dall’impatto di un meteorite, contengono microscopiche strutture a forma di tubicini, che possono essere collegate all’attività biologica

Scienza insolita

Westall paragona la combinazione dei diversi elementi necessari all’origine della vita allo sviluppo delle ricette di cucina. “Se volete ottenere il dolce perfetto, dovete usare esattamente le giuste dosi di ingredienti specifici e la temperatura e il tempo di cottura esatti”, dice. “D’altra parte, se vi piace sperimentare, potete cambiare gli ingredienti, le dosi, la temperatura e il tempo – e vedere cosa ottenete”.

Westall ritiene che, l’idea che i tre fattori critici per l’origine della vita siano comparsi tutti insieme, richieda qualcosa di simile al secondo approccio e questo è un metodo insolito per la scienza. “Tentare di fare gli esperimenti in uno scenario realistico, dove si buttano tutti insieme i diversi ingredienti in un contesto che non può essere controllato e che semplicemente procede in autonomia, è qualcosa che spaventa veramente i chimici”, lei dice. “Se dovesse succedere qualcosa di interessante, è più difficile capire come e perché. Ma questa è la via da seguire”.

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References

Resources

Author(s)

Andy Extance è un divulgatore scientifico di Exeter, in Gran Bretagna. le sue pubblicazioni riguardano argomenti collegati alla chimica, dall’ambiente terrestre allo spazio, dal cibo alla fusione nucleare, dalle celle solari al nostro odore.


Review

In quasi tutti i libri di testo, all’interno della sezione dedicata all’origine della vita, tutti gli esempi sono limitati al famoso esperimento di Stanley Miller e Harold Urey del 1952. Da allora sono stati fatti molti esperimenti ed è certo che il problema dell’origine della vita inetersserà sempre la comunità scientifica.

Questo articolo, che esplora diverse teorie sull’origine della vita, può essere usato in molti modi – sia come un esempio di come la scienza evolve cercando la risposta alle stesse domande della ricerca di base, o per le teorie scientifiche collegate alla materia vivente. Rappresenta un viaggio nel tempo, lo spazio e il mondo delle grandi domande della scienza.

I quesiti di comprensione possono includere:

  • Quando si pensa che si sia originata la vita sulla Terra?

  • Quali sono i tre fattori principali che hanno permesso la comparsa della vita?


Panagiotis K Stasinakis, insegnante di biologia e direttore del Laboratorio Centrale per le Scienze Naturali di Ampelokipoi (EKFE), in Grecia




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