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Cosa sappiamo sull’origine della vita sulla terra?

Evidenze di vita nel nostro pianeta risalgono ad oltre 3,4 miliardi di anni fa, cioè circa un miliardo di anni dopo la nascita della terra, come testimoniano i ritrovamenti di microbi, cioè di organismi unicellulari, fossilizzati in rocce di quell’epoca. Queste cellule primitive, molto semplici perché prive di un nucleo centrale e delle strutture specializzate come i mitocondri che ne costituiscono la centrale energetica, sono state poi assimilate da cellule più complesse chiamate cellule eucariote,che formano la materia vivente di piante ed animali, e datano a circa 1,5 miliardi di anni fa. Per circa un altro miliardo di anni queste cellule, anche aggregandosi per costituire organismi multicellulari, rimasero praticamente ferme ad uno stadio preevolutivo, e solo 550 milioni di anni fa, nel Cambriano, si ebbe una improvvisa proliferazione di forme di vita pluricellulare che ha portato alle specie viventi di oggi. Si parla di “esplosione Cambriana” che ha prodotto una incredibile diversificazione delle forme di vita passando dagli organismi semplici ed unicellulari precedenti, che vivevano isolati o riuniti in piccole colonie, agli organismi multicellulari successivi con una varietà simile a quella attuale. Fu un evento assolutamente eccezionale, e non si sa come e perché si sia verificato. Per quanto riguarda la storia del genere umano sono interessanti due particolari momenti storici ricostruiti dall’analisi del DNA di numerose popolazioni che oggi abitano l’Africa sub-sahariana: poco più di 150.000 anni fa la popolazione era ridotta a poche migliaia di individui e circa 70.000 anni fa addirittura a circa 1000 persone (1). Se questa ipotesi, attualmente molto dibattuta, fosse corretta, allora i sei miliardi di abitanti che oggi vivono sulla terra discenderebbero tutti da questo sparuto gruppo di progenitori.

Sappiamo quindi oggi con buona approssimazione, grazie agli studi sui residui fossili, quando è nata la vita sul nostro pianeta, ma come si sia originata resta, come vedremo, un mistero. Per secoli, se non per millenni, si attribuì l’inizio della vita all’opera di un qualche ente superiore, un Dio, che aveva creato dalla materia inerte o dal nulla ogni essere vivente. Ad esempio la Genesi recita “In principio Dio creò il cielo e la terra” e prosegue parlando della creazione di pesci e uccelli e di “esseri viventi secondo la loro specie: bestiame, rettili e bestie selvatiche”. Una diversa attenzione al problema della biogenesi avviene grazie a Charles Darwin che il 24 novembre 1859 pubblica il saggio “On the Origin of Species by Means of Natural Selection” (Sull’origine delle specie per mezzo della selezione naturale), riscuotendo un enorme successo al punto che la prima edizione viene esaurita il giorno stesso della presentazione. Darwin pone le basi per il concetto di evoluzionismo biologico, secondo il quale le specie complesse sono derivate, nel corso di periodi temporali anche molto lunghi, da specie primarie più semplici a loro volta evolutesi da un antenato comune. Pur non definendosi ateo, nel 1879 aveva infatti scritto “la descrizione più esatta del mio stato di spirito è quella dell’agnostico” in quanto reputava impossibile trovare nella scienza prove conclusive pro o contro l’idea del Dio creatore, sosteneva che l’evoluzione era spiegabile come risultante da una legge naturale e non in termini mistici e soprannaturali. In una lettera a Joseph Dalton Hooker del 1871, azzardò anche l’ipotesi che la vita sulla terra potesse avere avuto un’origine evolutiva prebiotica, generandosi in un “piccolo e tiepido stagno, contenente ammoniaca e sali fosforici, luce, calore, elettricità etc, in modo che una proteina fosse chimicamente prodotta pronta per subire nuovi e più complessi cambiamenti”. In altre parole l’abiogenesi, cioè l’origine della vita da materia non vivente, potrebbe derivare, in particolari condizioni ambientali, da composti organici, cioè contenenti atomi di carbonio uniti ad altri elementi come idrogeno, ossigeno ed azoto, e successivamente evolversi in modo graduale verso sistemi sempre più complessi. Darwin subì feroci attacchi da parte della Chiesa Anglicana per avere contraddetto la Bibbia, tuttavia nel 2009, a 200 anni dalla sua nascita, la Chiesa d’Inghilterra si è scusata ufficialmente per non avere inteso correttamente il senso della teoria dell’evoluzione, aggiungendo che si è deciso di fare un gesto simile a quello che la Chiesa Cattolica, dopo ben 350 anni, ha fatto scusandosi per l’errore commesso con Galileo Galilei.

L’idea di un’origine spontanea della vita accennata da Darwin fu ripresa oltre 70 anni dopo dal biochimico russo Alexander Ivanovic Oparin nel suo libro “L’origine della vita” pubblicato nel 1924. Oparin immagina una prima fase di evoluzione chimica in un ambiente primitivo caratterizzato da assenza di ossigeno e abbondanza di idrogeno in presenza, nell’atmosfera e nelle acque, dei quattro elementi chimici, idrogeno, ossigeno, carbonio ed azoto, che oggi costituiscono il 95% dei tessuti degli organismi viventi. La presenza di energia sotto forma di scariche elettriche, calore, radioattività e radiazione solare avrebbe catalizzato la formazione dai gas dell’atmosfera di molecole complesse nelle zone d’acqua del nostro pianeta costituendo una sorta di “brodo primordiale”. La concentrazione successiva di queste molecole in aggregati avrebbe dato origine alla evoluzione prebiologica con la formazione di microsistemi che sarebbero i precursori del mondo vivente. Praticamente ignorata dal mondo scientifico, l’ipotesi di Oparin fu ripresa nel 1952 da un giovane dottorando dell’università di Chicago, Stanley Miller, e dal suo professore Harold Urey, premio Nobel per la chimica nel 1934, che la sottoposero ad una verifica sperimentale. Ricreando in laboratorio le condizioni che si supponeva esistessero originariamente sulla terra (acqua bollente per riprodurre i caldi oceani primitivi, idrogeno, ammoniaca e metano), osservarono che, a seguito di scariche elettriche che simulavano l’azione dei fulmini, si formavano spontaneamente alcune biomolecole, cioè dei composti chimici come gli aminoacidi, i componenti fondamentali di tutti gli organismi viventi in quanto formano le proteine che controllano la gran parte dei processi biochimici del nostro corpo. Si potevano quindi creare, mediante opportuni processi chimici, dei composti organici, essenziali per la vita, a partire da sostanze inorganiche, cioè prive di atomi di carbonio se non in casi particolari. Miller pubblicò questi risultati nel 1953 sulla rivista Science a suo nome in quanto Urey, caso rarissimo nel mondo scientifico, volle lasciare al suo giovane allievo tutto il credito della scoperta. L’impatto di questo articolo sul mondo scientifico e non solo, fu enorme. Anche se in seguito ulteriori studi mostrarono che l’atmosfera primigenia della terra aveva una composizione diversa da quella simulata da Miller, tuttavia l’idea che si potessero generare molecole biologiche da insiemi di atomi di elementi assai comuni ed abbondanti in natura, stimolò la convinzione che il mistero dell’origine della vita fosse prossimo alla soluzione. Infatti si pensava che in laboratorio, usando aminoacidi e nucleotidi (le unità che compongono le molecole di DNA) si potessero assemblare le lunghe catene che sono alla base della nostra vita, cioè macromolecole come le proteine ed anche il DNA e l’RNA, cioè gli acidi nucleici depositari dell’informazione genetica e della sua trasmissione, nonché responsabili della sintesi delle proteine indispensabili per la vita degli organismi. Col progredire degli studi sia teorici che sperimentali ci si è resi conto che il fenomeno “vita” era qualcosa di estremamente più complesso di quanto si fosse immaginato. Nelle parole del genetista Michael Denton, il salto tra il mondo non vivente e il vivente “rappresenta la più drammatica e fondamentale fra tutte le discontinuità della natura. Tra una cellula vivente e i sistemi non biologici di ordine più elevato come un cristallo o un fiocco di neve, vi è il baratro più ampio e assoluto che si possa concepire” (2). Le cellule, cioè le unità fondamentali di ogni organismo vivente in quanto in grado di vivere autonomamente e soprattutto di riprodursi, non sono dei semplici contenitori di prodotti chimici, ma sono delle minuscole macchine incredibilmente complicate nel cui interno si svolgono con un ritmo frenetico quei processi chimico-fisici che danno origine alle molecole biologiche. Una cellula contiene all’interno della sua membrana circa 100 milioni di proteine di 20.000 tipi diversi “eppure l’intera cellula è tanto piccola che se ne potrebbero collocare un paio di centinaia sul puntino di questa lettera “i”. La cellula è incessantemente produttiva, mentre le sue catene di montaggio microminiaturizzate producono le loro quote infinite di macchine proteiche” (3).

Gli enormi avanzamenti compiuti negli ultimi decenni nella ricerca biochimica e nelle tecnologie di indagine, hanno condotto alla formulazione di diverse teorie sui meccanismi di aggregazione degli aminoacidi per formare molecole complesse in grado di autoreplicarsi, e sull’integrazione in una cellula biologica del materiale genetico, ma non hanno ancora chiarito in modo conclusivo il mistero dell’origine della vita sulla terra. Le difficoltà risiedono nel fatto che la vita si basa su proteine e acidi nucleici formati da lunghe catene rispettivamente di aminoacidi e di nucleotidi, ordinati in sequenze precise, devono cioè trovarsi esattamente nei punti giusti della catena. In altre parole, prendendo ad esempio le proteine, non possono essere fabbricate mescolando nelle giuste proporzioni gli aminoacidi di partenza perché questi vanno ordinati in successioni perfettamente codificate e non in modo casuale, allo stesso modo che un insieme di lettere dell’alfabeto, se ciascuna lettera non occupa il suo posto corretto sulla riga, non forma una parola e tantomeno una successione sensata di parole, cioè una frase o un discorso. Per dare un’idea di queste difficoltà supponiamo di avere a disposizione i venti aminoacidi costitutivi delle proteine vitali e vogliamo costruire una catena lunga 50 aminoacidi allineati in un ordine prefissato. Un calcolo di probabilità ci dimostra che considerando tutte le combinazioni casuali possibili si arriva ad un numero di catene pari a dieci seguito da settanta zeri, quasi il numero di tutti gli atomi presenti nell’universo. Appare chiaro che, anche se i tempi di evoluzione biotica sono stati lunghissimi, di miliardi di anni, permettendo così di “provare” ogni possibile combinazione, è difficile immaginare come si siano potute formare catene perfettamente identiche tra loro con una sequenza precisamente ordinata e definita degli aminoacidi, tali da dare origine alla vita. Come scrive il prof. Luisi, noto studioso della formazione delle prime strutture vitali, “Come si è stabilito tale ordine in condizioni prebiotiche? Non lo sappiamo. Direi anzi che non ci sono presentemente dati su questo, né ricerche di base per chiarire questo punto cruciale” (4). Calcoli recenti eseguiti con programmi di generazione di numeri casuali hanno dimostrato che i processi puramente casuali non sono in grado di spiegare l’origine di sistemi estremamente complessi e ricchi di informazione come i sistemi biologici vitali.

Si è pensato anche alla evenienza di processi di autoorganizzazione, appoggiandosi alle teorie sul caos del premio Nobel Ilya Prigogine dove, in sistemi termodinamici lontani dal punto di equilibrio, è possibile che si realizzi spontaneamente una situazione di ordine ed organizzazione dal caos e dal disordine. Ma si è visto che la nascita della vita non è paragonabile alla realizzazione di un tipo di ordine come quello che ammiriamo in un cristallo o in un nido d’ape ma deriva da un ordinamento complesso degli aminoacidi, da una organizzazione diretta geneticamente seguendo le istruzioni codificate nel DNA (il DNA, cioè l’acido desossiribonucleico è costituito da nucleotidi la cui disposizione sequenziale costituisce l’informazione genetica che poi, con un processo di trascrizione, è acquisita da un’altra molecola, chiamata RNA, che “traduce” il codice genetico negli aminoacidi che formano le proteine). Paul Davies spiega che “Finora la teoria dell’autoorganizzazione non ha dato indicazioni su come sarebbe avvenuto il passaggio tra l’organizzazione spontanea o auto indotta (che anche nei più elaborati esempi non viventi riguarda comunque strutture relativamente semplici), e il complesso sistema genetico basato sull’informazione tipico dei viventi” (5). Il DNA, che in sé non è qualcosa di vivente, è indispensabile per la vita in quanto il suo contenuto di informazioni è la banca dati non solo delle informazioni genetiche ma anche dei programmi per creare prodotti come le proteine. Il DNA, che ha le dimensioni di qualche miliardesimo di metro, è strettamente raggomitolato, in quanto disteso sarebbe lungo circa due metri, all’interno del nucleo delle singole cellule e se consideriamo che ad esempio nel corpo umano ci sonoparecchie decine di migliaia di miliardi di cellule, si ha l’idea di come sia incredibilmente sterminata la quantità di dati presenti. Alcune ipotesi sull’origine della vita hanno proposto un modello iniziale che va dall’RNA al DNA e poi alla vita. Ma, come abbiamo accennato, il DNA contiene informazioni ma non può farne uso né copiare se stesso senza la presenza di RNA e proteine: “si tratta di un sistema assai complicato e ciascuna di queste tre molecole richiede le altre due, o per essere fabbricata o per funzionare” (3). Considerando che, come dice Bill Gates, il DNA è un programma informatico enormemente più avanzato di qualsiasi software mai creato dall’uomo ad oggi, ed inoltre che il genoma umano, ad esempio, cioè la sequenza dei nucleotidi che ci caratterizzano, ha un DNA lungo circa 3,5 miliardi di lettere disposte ordinatamente in una precisa e determinata successione, l’interrogativo fondamentale su cui le varie ricerche e teorie sulla nascita della vita si sono arenate è come si siano potuti originare sia un codice genetico di tale complessità che i meccanismi per la sua traduzione.

Ci sono ancora due ipotesi che restano in campo, la prima è quella già accennata all’inizio, cioè di un ente superiore, una mente sublime, che ha creato la vita secondo un progetto intelligente, l’altra è quella della panspermia. Riguardo alla prima ipotesi, anche se respinta da molti scienziati, c’è da dire che parecchi studiosi hanno almeno considerato la possibilità di una “intelligenza” creatrice se non di un “Dio”, ad esempio Francis Collins, direttore del progetto Genoma Umano, ha detto “Mi incute umiltà e timore rendermi conto che abbiamo colto il primo barlume del nostro stesso libro di istruzioni, in precedenza noto soltanto a Dio”. Mentre Gene Myers, cha ha lavorato alla mappatura del genoma presso la Celera Genomics, ha scritto “Ciò che davvero mi stupisce è l’architettura della vita /…./; il sistema è estremamente complesso. E’ come se fosse stato progettato /…./. Qui c’è un’intelligenza enorme” (3). Sicuramente oggi la scienza, interrogandosi sull’origine della vita dopo gli spettacolari successi e progressi nella ricerca sperimentale e nell’elaborazione di teorie sempre più complesse, e dopo avere tentato invano di riprodurla in provetta a partire dai semplici componenti chimici costitutivi, non può che dichiarare di non essere attrezzata per rispondere alla domanda.

L’altra ipotesi è quella della panspermia, dal greco “semi ovunque”, che sostiene che la vita sia arrivata sulla terra dallo spazio per impatto di frammenti, meteoriti o comete, oppure da polveri interstellari che trasportavano materiale biologico in forme elementari come batteri, spore di funghi e virus. Questa idea, che risale al filosofo greco Anassimandro, è stata riproposta nelnovecento prima da Arrhenius, chimico svedese e premio Nobel, e poi da altri ricercatori tra i quali l’astronomo Fred Hoyle. Studi recenti hanno dimostrato che i batteri sono in grado di sopravvivere per lunghi periodi anche in condizioni climatiche proibitive come ad esempio nella stratosfera a 40 km d’altezza, e sono quindi in grado di viaggiare indenni nello spazio a temperature bassissime, nel vuoto assoluto, in presenza di radiazione cosmica ed ultravioletta. In particolare circa 4 miliardi di anni fa, quando gli impatti di comete ed asteroidi sulla terra erano molto frequenti, non si può escludere che questi oggetti recassero con sé anche molecole biologiche. Infatti le varie missioni spaziali succedutesi negli ultimi decenni e le osservazioni con telescopi sempre più potenti, in parallelo con analisi accurate sulla composizione dei meteoriti, hanno dimostrato che molti composti organici necessari alla vita erano già presenti nel sistema solare ed anche in altri sistemi stellari. Nel 2012, ad esempio, è stata identificata la molecola della glicoaldeide, uno zucchero semplice fondamentale dell’RNA, in un insieme stellare a 400 anni-luce di distanza. Ma anche ammettendo valida l’ipotesi della panspermia, il punto debole è che non spiega come e perché abbia avuto inizio la vita, ma ne sposta altrove, nello spazio cosmico, l’origine senza spiegarne i segreti.

Francesco Cappellani

(1) Gribbin John “Why we are probably the only intelligent life in the galazy”. Scientific American vol. 319, n.3, september 2018

(2) Denton Michael “Evolution – a Theory in Crisis” Adler & Adler, Bethesda, Maryland, 1986

(3) Lennox John C. “Dio e la Scienza” Gruppo Editoriale Armenia. 2009

(4) Luisi Pier Luigi “Perché l’origine della vita sulla terra è ancora un mistero?” Il Manifesto, 30/09/2017

(5) Davies Paul “Da dove viene la vita”. Mondadori, 2000. Citato in (3).