L’origine della vita sulla Terra: una questione scientifica

Come è nata la vita sulla Terra? Le evidenze scientifiche raccolte suggeriscono che sia scaturita da processi chimici spontanei avvenuti miliardi di anni fa. Il biologo Roberto Favilla esamina la questione sul numero 3/2023 di Nessun Dogma. Per leggere la rivista associati all’Uaar, abbonati oppure acquistala in formato digitale.

Che cosa s’intende per vita?

L’origine della vita sulla Terra è un problema che ha stimolato la curiosità dell’uomo fin dai tempi più remoti. Prima di descrivere cosa ne sappiamo, è opportuno dare una definizione semplificata di vita, pur sapendo che ne esistono tantissime, dati i numerosi aspetti che riguardano il fenomeno.

Quella che qui propongo, riferita esclusivamente agli aspetti biologici, è la seguente: la vita è un fenomeno naturale di tipo dinamico, riferito a entità materiali di dimensioni spaziali e temporali ben delimitate (organismi cellulari), contenenti particolari strutture molecolari in grado di svolgere determinate funzioni, quali crescere, autosostenersi, riprodursi ed evolversi, a spese dell’ambiente.

Questa definizione, basata sul fatto che la vita come la conosciamo sulla Terra è indissolubilmente associata alla presenza di cellule (organismi mono o pluricellulari) e alla loro impressionante varietà, frutto dell’evoluzione biologica, deriva da due teorie ottocentesche, la teoria cellulare (Schleiden e Schwann, 1839) e la teoria dell’evoluzione per selezione naturale (Darwin, 1859), oggi a fondamento di tutta la biologia moderna.

Detto questo, il problema della sua origine è quindi sostanzialmente quello di vedere se alcune fra le ipotesi fatte circa la formazione delle prime cellule abbiano ricevuto qualche supporto dagli esperimenti. È bene precisare che lo scopo degli esperimenti sull’origine della vita non è quello di ricostruire il processo nei suoi dettagli, cosa impossibile in quanto verificatasi verosimilmente una sola volta alcuni miliardi di anni fa senza lasciare tracce certe, bensì di dimostrare che la vita possa essere sorta spontaneamente nelle condizioni chimico-fisiche in cui si trovava la Terra primitiva.

Altre spiegazioni, come ad esempio quelle fornite dalle religioni, che attribuiscono l’origine della vita a entità soprannaturali, non vengono qui prese in esame perché non basate su considerazioni di carattere scientifico.

Nel corso dei secoli la filosofia ha formulato su questo argomento diverse ipotesi, da quelle dei presocratici, come ad esempio l’ilozoismo secondo cui la capacità di generare la vita è intrinseca alla materia e come tale ampiamente diffusa nell’universo, passando per quelle medievali molto più orientate verso aspetti di natura esoterica o metafisica, fino a quelle dei contemporanei, che tengono giustamente conto delle scoperte scientifiche.

Dal tardo Rinascimento in poi i fenomeni naturali cominciarono a essere esaminati secondo criteri più vicini al metodo scientifico, diffusosi soprattutto grazie a Galileo. Tuttavia, nonostante Redi nel XVII secolo e Spallanzani nel XVIII avessero già osservato che nessuna forma di vita poteva sorgere spontaneamente, la teoria vitalista restò ancora in auge fin oltre metà ‘800.

Secondo questa teoria forme di vita semplici, come microbi o insetti, potevano sorgere da materiale inorganico per azione di una misteriosa forza soprannaturale, detta vis vitalis. Fu solo con gli esperimenti molto convincenti di Pasteur nel 1864 che tale teoria fu definitivamente abbandonata in favore della teoria della biogenesi (vita da vita).

Verso l’inizio del XX secolo i fenomeni connessi con l’origine della vita cominciarono a essere affrontati per via sperimentale, partendo dall’ipotesi che la vita si sarebbe formata spontaneamente nel contesto della Terra primitiva grazie a una lunga serie di processi naturali (teoria dell’abiogenesi). Si deve notare che questa teoria differisce in modo sostanziale dalle due precedenti perché si riferisce esclusivamente all’origine della vita come fenomeno affermatosi sulla Terra primitiva.

Una delle conseguenze più importanti della teoria dell’evoluzione di Darwin è quella per cui la vita si sarebbe affermata una volta sola nel tempo e conseguentemente tutti i successivi organismi sarebbero derivati da un unico antenato comune, molto semplice ma abbastanza simile a ciò che oggi chiameremmo batterio. Questa conclusione è stata ampiamente confermata da scoperte di vario genere (paleontologiche, fisiologiche, eccetera), soprattutto dal confronto di tantissimi genomi.

La Terra primitiva

Dall’origine dell’Universo, avvenuta secondo la teoria del Big Bang circa 14 miliardi di anni fa, alla formazione del sistema solare sarebbero trascorsi più di 8 miliardi di anni. I pianeti del sistema solare, fra cui la Terra, avrebbero impiegato ancora almeno un miliardo di anni prima di formarsi per condensazione di polvere cosmica e gas espulsi da altre stelle morenti.

La prima atmosfera terrestre, essendo formata principalmente da due gas molto leggeri (idrogeno ed elio) sarebbe sfuggita rapidamente nello spazio, sostituita però da una seconda atmosfera contenente gas di origine vulcanica, quali ossido di carbonio, anidride carbonica, acido solfidrico, azoto, metano e acido cianidrico, oltre a vapore acqueo; ma non ossigeno. Col progressivo raffreddamento della Terra, piogge torrenziali avrebbero disciolto nei mari sali e minerali rocciosi.

Le prime forme fossili

Le evidenze fossili più antiche, simili come forma agli attuali cianobatteri fotosintetici, risalgono a circa 3.5 miliardi di anni fa (stromatoliti australiane), anche se tracce fossili ancora più antiche (4 miliardi di anni fa) sarebbero state individuate recentemente in Groenlandia. In base a queste, le primissime forme di vita si sarebbero quindi affermate poche centinaia di milioni di anni dopo che la Terra, formatasi circa 4,5 miliardi di anni fa, si era sufficientemente raffreddata.

Ipotesi ed esperimenti sull’origine della vita

Come sopra anticipato, all’inizio del ‘900 il chimico russo Alexander Oparin iniziò ad affrontare il problema dell’origine della vita non solo dal punto di vista teorico, ma anche sperimentale, ispirato da Charles Darwin, secondo il quale i precursori chimici della vita si sarebbero potuti formare «…in un piccolo stagno caldo in presenza di sali di azoto e fosforo, luce calore e fulmini…».

Oparin ipotizzò che la vita si sarebbe originata partendo da semplici gas vulcanici presenti nell’atmosfera primitiva, quali metano, ammoniaca e vapor acqueo, che reagendo fra loro avrebbero formato molecole organiche più complesse, come amminoacidi e zuccheri, poi accumulatesi negli oceani primitivi (brodo primordiale).

Questi composti avrebbero ulteriormente reagito fra loro formando complesse strutture macromolecolari, quali proteine e acidi nucleici, fino all’emergere di particelle in grado di autoriprodursi. Egli in effetti osservò che alcuni di questi composti, una volta disciolti in acqua in opportune condizioni di pH, temperatura e composizione salina, davano origine a sferette gommose (coacervati), con proprietà simil-cellulari, quali assorbimento di sostanze dal mezzo acquoso, aumento di dimensioni, scissione spontanea, eccetera.

L’ipotesi di Oparin, sull’origine spontanea della vita (abiogenesi) da semplici composti organici, ricevette sostegno nel 1953 da parte di Stanley Miller, che, allo scopo di simulare le condizioni presenti sulla Terra primordiale, fece reagire in un’ampolla semplici gas vulcanici, quali ammoniaca, metano e idrogeno, in presenza di acqua e scariche elettriche, ottenendo una gran varietà di composti organici precursori della vita, fra i quali alcuni amminoacidi proteici.

Questi risultati segnarono un punto di svolta nella ricerca sull’origine della vita. Molti altri esperimenti, effettuati in condizioni simili con altri gas vulcanici, in particolare l’acido cianidrico, permisero di ottenere anche nucleotidi, zuccheri e lipidi, che sono i precursori delle principali macromolecole cellulari (proteine [1], acidi nucleici [2], carboidrati [3] e membrane [4]), suggerendo così una loro probabile formazione spontanea sulla Terra primitiva.

Sono state proposte altre teorie, fra cui quella secondo cui la vita sarebbe comparsa sulla Terra in seguito all’arrivo di composti organici extra-terrestri, sopravvissuti all’impatto con l’atmosfera, trasportati da meteoriti, di cui la più nota è quella di Murchison caduta in Australia nel 1969.

Una variante estrema di questa ipotesi, proposta da Crick, che insieme a Watson scoprì nel 1953 la struttura a doppia elica del Dna, sostiene che la vita sarebbe stata portata direttamente sulla Terra da organismi alieni (teoria della panspermia). Tuttavia, anche se ciò fosse vero, resterebbe da spiegare come la vita si sarebbe formata altrove. A questo proposito, anche se non esistono ancora prove dirette, l’esistenza di vita aliena è ritenuta altamente probabile, dato l’elevatissimo numero di pianeti presenti nell’universo, ritenuti simili alla Terra.

Evoluzione molecolare prebiotica e transizione alla vita

Sulla base di questi dati, si pensa che semplici composti organici simili a quelli trovati da Miller, originatisi spontaneamente o trasportati da meteoriti sulla Terra primitiva, abbiano trovato condizioni favorevoli alla loro unione formando biomacromolecole in grado di innescare processi di tipo metabolico simili a quelli che si svolgono nelle cellule attuali.

Tuttavia, se la formazione di vescicole chiuse, circondate da pellicole semipermeabili simili alle attuali membrane cellulari, è facilmente riproducibile in laboratorio mescolando composti fosfolipidici in acqua, la formazione in vitro di proteine e acidi nucleici dai rispettivi precursori risulta ancora molto problematica. Alcuni ricercatori ritengono che alcune biomacromolecole si siano formate all’interno di microcavità di camini vulcanici idrotermali presenti nei fondali oceanici, grazie all’azione catalitica di ioni metallici su precursori organici ivi disciolti.

Un altro problema importante, non ancora risolto, è se si siano formate prima le proteine o gli acidi nucleici: una delle ipotesi più attraenti, anche se non universalmente condivisa, è quella del mondo a Rna, secondo cui questo acido nucleico, simile al Dna, si sarebbe formato per primo innescando i processi di transizione alla vita.

Questa ipotesi è supportata dal fatto che le molecole di Rna possiedono due proprietà fondamentali: l’informazione genetica, come il Dna, e l’attività catalitica, come le proteine. Secondo questa ipotesi solo dopo la formazione di particelle più o meno stabili (protocellule) dotate di codice genetico e metabolismo, sia pur primitivi, il Dna e le proteine avrebbero preso il posto dell’Rna in quanto più stabili ed efficienti. Alcune di queste cellule primitive sarebbero poi riuscite a migrare colonizzando il pianeta, avendo acquisito la capacità di sopravvivere agli inevitabili cambiamenti ambientali (evoluzione per selezione naturale).

Come sopra accennato, l’analisi di moltissime sequenze genomiche ha permesso di affermare con certezza che discendiamo tutti da un antenato comune, chiamato Luca (Last universal common ancestor), ovvero da un set ristretto di cellule sopravvissute alla selezione naturale attorno a quattro miliardi di anni fa. I discendenti di Luca rimasero per quasi altri due miliardi di anni allo stato di procarioti [5], ma in alcuni di essi si sviluppò il meccanismo della fotosintesi [6].

Questa innovazione aumentò enormemente non solo le loro possibilità di sopravvivenza, in quanto li rese indipendenti dalla scarsa disponibilità di sostanze organiche presenti nell’ambiente (autotrofismo), ma anche quelle degli altri organismi incapaci di fare fotosintesi (eterotrofismo), potendo questi ultimi ora cibarsi degli autotrofi.

Solo attorno a due miliardi di anni fa fecero la loro comparsa sulla Terra i primi eucarioti [7], dalla fusione di organismi procariotici, che tuttavia restarono allo stato monocellulare ancora per oltre un miliardo di anni prima di originare gli organismi multicellulari (piante, funghi e animali), la cui diversificazione e complessità raggiunse un picco fra 600 e 550 milioni di anni fa (esplosione del Cambriano). Fra questi organismi la nostra specie è una delle ultime arrivate, essendo comparsa non prima di 200-300 mila anni fa.

Conclusioni

Anche se mai sapremo quale sequenza di eventi abbia portato all’emergere della vita, trattandosi di un fenomeno unico, le evidenze finora raccolte suggeriscono che la vita sia scaturita da processi chimici spontanei avvenuti sulla Terra primitiva. Se esaminiamo il fenomeno vita dal punto di vista filosofico, possiamo dire che sono emerse due scuole di pensiero principali.

La prima sostiene che la vita sia una conseguenza necessaria delle trasformazioni della materia e quindi sia presente anche altrove nell’universo (teoria deterministica). Questo punto di vista, scientificamente accettabile, è stato però manipolato da alcune sette religiose fondamentaliste per sostenere un punto di vista teleologico, oltre che teologico, secondo il quale il fine ultimo dell’evoluzione dell’Universo sarebbe la comparsa dell’uomo dotato di coscienza, conseguente al cosiddetto progetto divino intelligente (intelligent design).

L’altra scuola di pensiero sostiene invece che la vita sia sorta non come necessità imposta dalle leggi naturali ma come conseguenza di una serie di eventi naturali non legati fra loro da una stretta relazione causa-effetto (teoria della contingenza). Questa teoria è forse più condivisibile, perché prescinde da interpretazioni teleologiche ed è più in linea con quanto riscontrato scientificamente.

Nota

L’argomento trattato è una rielaborazione sintetica di un saggio pubblicato dall’autore sulla rivista Prospettiva N.12 giugno 2021, Ed. Battei, Parma.

Roberto Favilla

Note

1. Polimeri lineari formati dall’unione di 20 diversi amminoacidi, di lunghezza variabile da alcune decine a migliaia di unità. Svolgono svariate funzioni: strutturali (es. cheratina), catalitiche (enzimi), immunologiche (anticorpi), di trasporto (es. emoglobina), muscolari (es. actina), regolative, di difesa (veleni).
2. Polimeri lineari contenenti informazioni genetiche, formati dall’unione di 4 diversi nucleotidi, ognuno composto da uno zucchero, un gruppo fosfato e una base (adenina, guanina, citosina e timina o uracile). Alcuni cromosomi umani possono contenere molecole di Dna lunghe più di 100 milioni di unità, mentre l’Rna è sempre molto più corto.
3. Polimeri sia lineari sia ramificati molto lunghi, formati dall’unione di zuccheri semplici, come glucosio. I più diffusi sono la cellulosa (vegetali) e l’amido (animali), spesso coinvolti in funzioni biologiche importanti.
4. Estese strutture bidimensionali che circondano le cellule, formate da fosfolipidi disposti a doppio strato, con i gruppi fosfato rivolti verso l’ambiente
   esterno acquoso e le code lipidiche all’interno.
5. Organismi monocellulari privi di nucleo (batteri). I virus non sono organismi viventi veri e propri, perché privi di struttura cellulare, pur essendo capaci di riprodursi all’interno delle cellule.
6. Complicato processo grazie al quale le cellule vegetali sintetizzano glucosio e ossigeno molecolare da anidride carbonica e acqua, sfruttando l’energia solare.
7. Organismi (mono e multicellulari) dotati di nucleo e altri organelli interni alle cellule (es. mitocondri).

Alcuni libri sull’argomento

– Oparin A.I., L’origine della vita, Boringhieri (1977)
– Crick F., L’origine della vita, Garzanti (1983)
– Dyson F., Origini della vita, Bollati Boringhieri (1987)
– Ageno M., Dal non vivente al vivente, Theoria (1991)
– Davies P., Da dove viene la vita, Mondadori (2000)
– De Duve C., Alle origini della vita, Longanesi (2008)
– Luisi P.L., Sull’origine della vita e della biodiversità, Mondadori (2013)
– Baggott J., Origini, Adelphi (2017)

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