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Le più antiche impronte della vita sulla Terra sono state lasciate in rocce vecchie di 3800 milioni di anni da microscopici organismi viventi che si possono considerare batteri poichè ricavavano l'energia necessaria ai loro processi vitali dalla trasformazione di composti dello zolfo, prodotti dall'attività vulcanica presente sul fondo degli oceani. Più tardi, circa 3000 milioni di anni fa, tali organismi acquistarono la capacità di procurarsi energia direttamente dalla luce solare e di accumulare azoto. Un momento fondamentale nella storia della vita è rappresentato dalla comparsa dei cianobatteri, o alghe azzurre che si accrebbero formando sul fondo strutture a strati o cavoliformi analoghe a quelle tutt'ora visibili al largo delle coste australiane.
I cianobatteri si servirono dell'energia della luce solare per ricavare carboidrati dalla combinazione chimica di acqua con anidride carbonica. Tale processo, noto come fotosintesi, diede come prodotto di scarto l'ossigeno che, a partire da 2500 e sino a 1750 milioni di anni fa, si legò chimicamente col ferro arrugginendolo e formando sul fondo degli oceani depositi a strati di rocce ferrose. Il tappeto di alghe azzurre era anche in grado di intrappolare e creare strati di sostanze quali i fanghi di carbonato di calcio, che formarono le struttute note come stromatoliti. Non appena tutto il ferro fu legato chimicamente, l'ossigeno resosi disponibile cominciò ad accumularsi nell'acqua degli oceani e a diffondersi nell'atmosfera; qui costituì uno strato di ozono, che fece da scudo contro le dannosissime radiazioni ultraviolette provenienti dal sole.
Solo pochissimi fossili di organismi provengono dal Precambriano, anche dal più recente, e per la maggior parte sono costituiti da piante. Alghe calcaree si diffusero ampiamente nei mari dell'America (Montana, Alberta) e della Rhodesia; nella selce nera precambriana dell'Ontario e nelle rocce del Michigan, Minnesota, Inghilterra e Scozia, sono stati trovati primitivi funghi acquatici e alghe. Gli animali fossili sono rari; è stata scoperta una medusa nel Gran Cañion, e alcune tracce rinvenute nelle rocce del Montana testimoniano una possibile esistenza di esseri viventi. Un maggior numero di fossili sono stati ritrovati in Australia, in depositi recentemente scoperti. Sembra probabile che gli animali del Precambriano avessero il corpo privo di parti di una certa consistenza e perciò scarsamente conservabili sotto forma di fossile; solo in seguito una grande quantità di differenti specie svilupparono parti ossee e i fossili diventarono più comuni. Il paesaggio dell'epoca precambriana risulta al principio piuttosto desolato: uno sterile deserto di nuda roccia attorniato da mari poco profondi, da dove ha inizio le prime forme di vita.
All'inizio del secolo XX° il biochimico russo Oparin ed il biologo inglese Haldane hanno per primi formulato un'ipotesi alternativa alle precedenti, anche se molto vicina, per certi aspetti, a quella della generazione spontanea. Secondo questi autori la vita avrebbe avuto origine a partire da materiale non vivente: in particolare il fenomeno si sarebbe prodotto per la prima volta durante il Precambrico, oltre 3,3 miliardi di anni fa, allorquando l'atmosfera primitiva della terra doveva gia' contenere le materie prime essenziali per la vita: gas vulcanici (metano, ammoniaca, azoto), idrogeno, vapore acqueo e, in quantita' minori, ossigeno ed anidride carbonica. Si doveva trattare di un'atmosfera riducente, ricca di carbonio e azoto allo stato ridotto rispettivamente di idrocarburi ed ammoniaca, molto diversa dall'atmosfera attuale ricca di ossigeno e azoto e, pertanto,ossidante; i mari, d'altro canto, dovevano risultare ricchi di metano, ammoniaca, sali e sostanze minerali provenienti dalla degradazione e dal dilavamento della crosta terrestre. |
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I primi sistemi viventi si sarebbero formati, appunto, in mare, in acque poco profonde, in una sorta di "brodo organico primordiale" (prebiotico). In un tale ambiente si sarebbero realizzate le prime reazioni di sintesi tra acqua, metano ed ammoniaca; queste avrebbero portato successivamente alla formazione dei primi composti organici, dai quali sarebbero derivati composti organici via via piu' complessi. |
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Quindi, verosimilmente, dopo una serie enorme di tentativi "abortiti", sostanze chimiche ancora piu' complesse e, infine, le prime cellule viventi.
La vita avrebbe in definitiva avuto origine attraverso un processo di "evoluzione molecolare" mediante il quale le forme viventi più primitive sarebbero state prodotte da molecole inorganiche attraverso numerosissime interazioni reciproche.
Tali miscele chimiche, infatti, esposte ad una energia esterna, avrebbero potuto produrre molti composti organici i quali avrebbero formato, appunto, il "coacervato primordiale" nel quale si sarebbero originate ed evolute le prime forme di vita.
L'energia indispensabile per lo svolgimento delle suddette sintesi doveva essere gia' ampiamente disponibile. Si trattava, innanzitutto, di energia derivante dal sole che bombardava il nostro pianeta con particelle ad elevata energia e di grandi quantita' di calore e di energia derivanti dalle scariche elettriche prodotte dai violenti uragani che si abbattevano allora sulla giovane terra. Recentemente il biologo tedesco Wachterhauser ha sostenuto che una particolare energia utilizzata dall' evoluzione chimica sarebbe stata fornita dal processo di formazione della pirite, che libera appunto idrogeno, il "carburante" delle prime tappe dell'evoluzione biologica.
All'inizio l'ipotesi di Oparin-Haldane non venne unanimemente accettata dal mondo scientifico sia per il persistere ancora di una forte propensione degli studiosi verso l'ipotesi della generazione spontanea, sia per la mancanza di adeguate prove sperimentali che la convalidasse pienamente.
Nel 1953, però, le condizioni suggerite dai suddetti autori
sono state riprodotte con successo in laboratorio da S. Miller e H. Urey (fig.1) che hanno messo in evidenza numerose reazioni con le quali, partendo da materiale inorganico, si riesce a sintetizzare sostanze organiche; ad esempio, alcuni idrocarburi metallici, reagendo con acqua, formano acetilene e, successivamente, polimeri con lunghe catene di atomi di carbonio; allo stesso modo, miscele di vapor acqueo, metano, ammoniaca ed idrogeno, sottoposte a forti scariche elettriche o a radiazione ultravioletta, possono dar luogo a composti organici complessi ed amminoacidi che rappresentano le unita' costitutive delle proteine, componenti essenziali della materia vivente.
Successivamente Fox ed altri biologi americani dimostrarono che, riscaldando amminoacidi semplici in assenza di ossigeno si possono formare lunghe catene di amminoacidi (polipeptidi); questi, miscelati con acqua, possono dar luogo a microsfere di proteinoidi cellulosimili in grado di assumere zuccheri ed amminoacidi dall'ambiente esterno! Le suddette microsfere potrebbero, appunto, rappresentare un possibile passaggio tra le miscele chimiche suggerite da Oparin e Haldane e le prime cellule (protocellule). Queste ultime avrebbero, quindi, acquisito la capacità di autoreplicarsi, di svolgere processi metabolici e di riprodursi, acquisendo definitivamente le caratteristiche fondamentali della vita.
Tuttavia, anche i modelli proposti da Miller, Urey e da Fox possono essere suscettibili di commenti e di critiche.
Anzitutto, i composti prebiotici, ottenuti negli esperimenti di Miller del 1955 e in quelli compiuti da lui e da altri ricercatori nei quarant'anni successivi, sono solo una minima percentuale dei prodotti ottenuti. Inoltre, in nessuno dei suddetti esperimenti sono mai stati ottenuti contemporaneamente tutti i venti amminoacidi presenti nelle proteine; al contrario, sono stati prodotti, spesso in quantità maggiore dei primi, amminoacidi che non si ritrovano nelle proteine. Infine si deve porre l'accento sul fatto che gli esperimenti di Miller partivano da una particolare ipotesi sulla formazione del sistema solare, diversa da quella oggi unanimemente accettata, e che prevede peraltro un'atmosfera primitiva non molto diversa dall'attuale, salvo forse per la mancanza di ossigeno, formatosi solo dopo la comparsa di organismi provvisti di clorofilla.
Un tentativo per ovviare ad alcune delle suddette obiezioni viene fatto nel 1981 dal gruppo del chimico statunitense Allen J. Bard, che ottiene, attraverso reazioni successive in presenza di luce ultravioletta e di vari catalizzatori inorganici, amminoacidi a partire da una miscela di gas simile all' ipotizzata "atmosfera primitiva". Purtroppo tra i catalizzatori usati da Bard vi era anche il biossido di titanio ricoperto di platino finemente suddiviso, che non esiste in natura, e si può preparare soltanto artificialmente ! Si può, quindi, concludere che a tutt'oggi le prove sperimentali a favore dell'abiogenesi risultano ancora piuttosto dubbie e scarsamente documentate.
Uno dei "passi" più importanti verso la che soluzione del problema dell'origine della vita si deve a due biologi americani T.R. Cech e S. Altman, premi Nobel per la medicina nel 1989, i quali, negli anni 1982-1983, dimostrarono la possibilità che molecole di RNA possano svolgere funzioni enzimatiche, cioè siano in grado di promuovere reazioni chimiche autonome, senza l'intervento di enzimi proteici. Tali funzioni enzimatiche, peraltro osservabili nell' RNA di organismi viventi attuali, potrebbero essere, appunto, la testimonianza di un primitivo "mondo a RNA" nel quale tutti gli organismi dovevano essere costituiti solo da RNA, e dal quale si sarebbe solo successivamente evoluto il mondo attuale costituito da DNA e proteine, con funzioni rispettivamente genetiche e metaboliche.
A questo punto ci si può, tuttavia, porre un' ulteriore domanda: come si sarebbe originato l'ipotizzato "mondo a RNA" di Cech a Altman ? Il chimico tedesco Eigen e successivamente Orgel hanno dimostrato che, in presenza di enzimi proteici, miscele di nucleotidi possono dar luogo a RNA capace di replicarsi (riprodursi), di mutare e di competere con altri organismi. Secondio questi autori la vita sulla terra potrebbe aver avuto origine proprio a partire da popolazioni di molecole di RNA simili ("quasi specie") i cui individui, capaci di competizione, si sarebbero associati con popolazioni proteiche, dapprima stabilendo con esse un rapporto parassitario, quindi un equilibrio stabile: l'attuale "divisione del lavoro" tra acidi nucleici e proteine!
L'ipotesi di un mondo ancestrale a RNA, sebbene molto probabile, solleva dubbi sia di tipo chimico che probabilistico. Per quanto riguarda i primi, nessun ricercatore è riuscito sinora a proporre un modello secondo il quale negli oceani e nell' atmosfera primitiva si siano potute formare adeguate quantità di nucleotidi; il secondo dubbio riguarda la possibiltà che molecole di RNA in grado di replicarsi e di competere possano essere state abbastanza stabili nel tempo da evolversi successivamente in organismi più complessi.
PRIMA IL METABOLISMO?
Recentemente alcuni ricercatori (Dyson, Neumann) hanno proposto una ipotesi alternativa alla precedente secondo la quale la vita avrebbe avuto una doppia origine: si sarebbero formati per primi sistemi metabolici basati sulle proteine e, successivamente, a partire da questi, sistemi genetici basati sull' RNA.
Questi ultimi in un primo tempo i sarebbero uniti ai primi stabilendo con essi rapporti di tipo parassitario, quindi rapporti piu' equilibrati di mutualismo e simbiosi. In particolare, secondo Dyson, i primi organismi viventi sarebbero stati delle cellule, dotate di capacità metaboliche ed in grado di riprodursi senza "errori" in quanto sprovviste di sistemi genetici che li potevano favorire; successivamente, molto probabilmente a causa di un errore accidentale, si formarono i primi nucleotidi i quali, con la collaborazione di particolari enzimi, si aggregarono per formare le prime molecole di RNA capaci di autoreplicazione.
La vita si è formata sui fondali oceanici o nella schiuma superficiale degli stessi oceani? La prima di queste due ipotesi sostiene che la vita si sarebbe prodotta in sorgenti idrotemali abissali: essa sarebbe confermata dalla scoperta di batteri termofili attualmente presenti nei suddetti ambienti, come pure dai recenti rinvenimenti su fondali al largo della Columbia Britannica, ad opera di ricercatori dell'Università di Washington, di strutture basaltiche, ancora calde, all'interno delle quali sono stati rinvenuti organismi microbici molto primitivi.
Recentemente un gruppo di ricercatori dell'Università di Duke (nella Carolina del Nord) ha esposto un' affascinante teoria su Nature. Un fantastico sistema sottomarino fatto di sorgenti termali e di pinnacoli, denominato Lost City, infatti, si sarebbe rivelato un fertile terreno di riproduzione per microrganismi che potrebbero spiegare la formazione della vita sulla Terra.
Lo scorso dicembre alcuni oceanografi si sono imbattuti in una antica crosta terrestre immersa nel mezzo dell'Atlantico. Alcuni dei pinnacoli trovati sono i più alti mai rinvenuti (circa 5.400 metri di altezza). Si chiamano giacimenti idro-termali e sono il risultato dell'accumulo di minerali sciolti in acqua calda attraverso alcune fessure conosciute come "buchi termali". "Dopo studi più accurati sul sistema dei buchi termali", afferma Jeff Karson, che ha partecipato alla ricerca, "abbiamo notato che questi pinnacoli erano stati creati non dai vulcani sottomarini, conosciuti proprio perché producono simili formazioni, ma da interazioni chimiche tra le rocce oceaniche e l'acqua marina". Secondo i suddetti ricercatori, i buchi idro - termali potrebbero essere presenti in una porzione di oceani più grande di quella che si può pensare. Inoltre in questo sistema sottomarino l'acqua risulta più fredda e più acida di quella che circonda le normali formazioni create dai vulcani. "Pensiamo che in questi luoghi vivano nuovi tipi di organismi che possono darci molti indizi sui processi di formazione della Terra e sulle forme di vita esistenti", ha aggiunto Karson. Ma non tutti i ricercatori sono oggi d'accordo:secondo Susan Humphris, scienziata al Woods Hole Oceanographic Institution (Stati Uniti), non si può essere certi che i sistemi idro-termale siano stati il luogo di inizio della vita.
In accordo con la seconda ipotesi, attualmente sostenuta da alcuni ricercatori della Berkley University (U.S.A.), le schiume marine superficiali avrebbero potuto favorire l'incontro di molecole organiche sempre più complesse. Il meccanismo, molto improbabile da un punto di vista umano del fattore tempo, ma più facilmente interpretabile alla luce di una scala temporale geologica di miliardi di anni, si sarebbe svolto con le modalità seguenti: le schiume marine dovevano contenere, in gran quantità, molecole idrorepellenti situate all'esterno delle bolle della stessa schiuma; tali molecole ne attiravano altre, con componenti idrorepellenti, assimilandole. In tal modo le sostanze organiche poterono reagire tra loro e produrre molecole "vive", capaci di replicarsi, cioè di riprodursi!
Questa elegante ipotesi è stata recentemente proposta dal biologo scozzese Alexander Graham Cairn-Smith che sostiene che alcuni cristalli possono autoreplicarsi, fratturandosi in microcristalli, più piccoli, della stessa forma. Le argille sono microcristalli capaci di replicarsi: anch'esse, al pari degli organismi viventi, sarebbero capaci di competizione e di evoluzione: alcune strutture possono essere più adatte di altre al fine della propagazione, evitando di conseguenza il rischio di assorbire acqua in eccesso dal terreno: vanno avanti, cioè, le più adatte!
Questo autore sostiene che proprio le argille, per mezzo delle loro caratteristiche fessurazioni e scanalature, avrebbero potuto "catturare" molecole organiche, trasferendovi il "codice genetico", in definitiva la vita !!!
Nel 1951 J.D. Bernal nella sua pubblicazione "The phisical bases of life" ritiene fondamentali per la vita prebiotica la presenza di argille ed altri minerali allo scopo di concentrare, proteggere e catalizzare le prime reazioni organiche. Questa teoria, sviluppata successivamente da A.G. Cairns-Smith agli inizi degli anni '80, suggerisce che i cristalli microscopici dei minerali che si trovano nelle argille possano essere serviti come supporti di replicazione, finché non comparvero gli acidi nucleici che presero il controllo di tale processo.
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