Secondo le teorie più accreditate la terra si sarebbe formata circa 4,5 miliardi di anni fa, mentre il primo organismo fossile rinvenuto in Sudafrica data circa 3,5 miliardi di anni. Molte ipotesi più o meno strampalate e affascinanti si sono alternate nel tentativo di comprendere cosa sia accaduto in questo lasso di tempo, e di cogliere l'origine, divina, terrena o extraterrestre, della scintilla che ha permesso la nascita della vita, ma qual è il punto di vista della scienza? E a che punto sono le ricerche in questo campo?
Cerchiamo prima di tutto un modo per affrontare il problema in maniera corretta: un'ipotesi creazionista, che prevede l'azione di una qualche entità superiore, è un problema di fede e non di scienza e in quanto tale non può essere discusso in questa sede né vagliato con mezzi d'indagine sperimentale; ipotizzare che la vita sia giunta da un altro pianeta (Panspermia) significherebbe soltanto spostare il problema; poi bisognerebbe ingegnarsi a spiegare come sia nata la vita lì. Non ci resta che tentare di spiegare in che modo possa aver avuto origine la vita sul nostro pianeta.
Il concetto dal quale i biofisici partono per esplorare il campo dell'origine della vita, è che la stessa si sia originata a partire dalla materia inanimata per incremento continuo della complessità molecolare3 passando prima attraverso la formazione di molecole organiche per poi approdare alla vita cellulare. Questo punto di vista fu formulato negli anni venti da due scienziati: Alexander Oparin e J.B. Haldane1-2.
Questo passaggio alla vita attraverso l'evoluzione molecolare esclude per definizione sia la Panspermia che l'intervento divino.
Il punto di vista tende a semplificare estremamente il concetto della vita che diverrebbe semplicemente una serie di molecole che interagiscono fra loro. Senza addentrarci eccessivamente in problemi epistemologici possiamo dire che questa visione riduzionistica risulta adatta per studiare soltanto la struttura degli esseri viventi, ma non basta per descriverne correttamente alcune proprietà; possiamo ad esempio definire proprietà cose come la coscienza o i sentimenti che non si possono spiegare semplicemente parlando di interazioni tra molecole, nasce quindi la necessità di separare struttura e proprietà, infatti, mentre studiando la struttura delle molecole è possibile comprendere la struttura di un organismo vivente lo stesso non vale per le proprietà, la somma quindi delle proprietà delle singole componenti non basta a comprendere le proprietà del tutto.
Nasce quindi il concetto di "emergenza", esemplificando poteremmo dire che ascoltando le sette note musicali separatamente esse non comunicano niente, se invece vengono assemblate correttamente ecco che emerge una nuova proprietà: la melodia, lo stesso vale per gli organuli che compongono una cellula (e che non possono essere definiti "vivi") dalla loro interazione infatti "emerge" una nuova proprietà che prima non era insita negli organuli stessi e che è appunto la vita4.
L'idea secondo la quale la vita proverrebbe dalla materia inanimata porta gli scienziati a postulare che sia possibile ricrearla in laboratorio. Il tentativo è almeno quello arrivare a produrre quello che viene definito "vita minima".
Per vita minima si intende, come esposto in principio da Francisco Varela e Humberto Maturana, un sistema che sia capace di automantenersi (cioè continuare a esistere utilizzando nutrienti dall'ambiente), autoriprodursi, autoassemblarsi e sottostare all'evoluzione Darwiniana. In seguito Varela chiarirà ulteriormente che il sistema deve: possedere una membrana semipermeabile che è prodotta dal sistema e che a sua volta racchiude quelle reazioni che rigenerano il sistema stesso5.
Uno degli esperimenti fondamentali per comprendere il passaggio dalla materia inanimata alle molecole organiche fu condotto da Stanley Miller nel 1953, egli era riuscito a riprodurre in laboratorio quelle che riteneva le condizioni ambientali esistenti sulla terra ancora senza vita. I risultati mostrarono che venivano a formarsi moltissime sostanze organiche, anche molto complesse. Queste sostanze, costituite da molecole molto grandi, si separavano facilmente dall'acqua nella quale erano immerse unendosi assieme e formando così agglomerati molecolari6.
Dopo questo esperimento lo studio di numerosi scienziati come Ferris, Orgel, Orò eccetera, si è concentrato sul tentativo di comprendere e riprodurre le reazioni che portavano a molecole organiche a partire dal "brodo primordiale", in pochi anni questa nuova branca detta "Chimica Prebiotica" ha portato a sintetizzare numerose molecole organiche partendo da quelle che si stimano essere le condizioni iniziali anche se alcuni passaggi rimangono piuttosto oscuri, come ad esempio la polimerizzazione, cioè la formazione di lunghe catene formate da molecole più piccole a formare le macromolecole come RNA, DNA e proteine, che sono alla base della vita come la conosciamo.
Dagli anni settanta lo studio dei biofisici si è concentrato nel tentativo di comprendere quale fosse il meccanismo di funzionamento dei primi sistemi che potessero essere definiti viventi. Il lavoro, ancora adesso, si sviluppa da due punti di partenza diametralmente opposti. Il primo detto bottom-up approach (approccio dal basso in alto) tende a partire da molecole più semplici per arrivare, incrementandone la complessità, alla minima forma di vita, capace, ricordiamo, di automantenersi, autoreplicarsi e autoassemblarsi.
Il secondo detto top-down approach (dall'alto in basso) parte da cellule complesse, come sono quelle attuali, tendendo a semplificarle il più possibile per giungere alla prima forma di vita.
RNA World (bottom-up approach). Come già accennato questa teoria ipotizza la formazione circa 3,9 miliardi di anni fa, di molecole di RNA che, attraverso una struttura particolare detta ribozima, fossero in grado di autoreplicarsi (cioè di creare molecole identiche a sé stesse) l'RNA in questione sarebbe anche stato in grado di formarsi spontaneamente, ma questo particolare è ancora in fase di studio. Da questi primi RNA, che avevano sia il compito di conservare le informazioni sia quello di fungere da enzima, si sarebbero poi evolute strutture più complesse come le proteine che lo avrebbero sostituito nelle funzioni enzimatiche e il DNA che lo avrebbe sostituito nella conservazione delle informazioni, relegando l'RNA alla semplice funzione di mediatore per la sintesi delle proteine7.
L'approccio compartimentalistico (top-down approach) studia invece il comportamento di alcuni acidi grassi (in particolare fosfolipidi) in soluzione acquosa. Come noto da tempo questo tipo di molecole può aggregarsi spontaneamente a formare delle sfere cave dette "liposomi" che sono in grado quindi di formare un piccolo ambiente pieno d'acqua isolato dal resto del mezzo sempre acquoso. Quando questi liposomi vengono posti in soluzioni che contengono precursori degli acidi grassi (molecole dalla quali derivano gli acidi grassi) che formano il liposoma stesso, si susseguono in sequenza questi avvenimenti:
In questo modo il liposoma si accresce fino a quando diventa instabile e tende a dividersi in diversi liposomi più piccoli e quindi più stabili8.
Gli esperimenti più recenti in questo campo tendono a inserire all'interno dei liposomi degli apparati estratti da cellule che possano sintetizzare determinate proteine mentre nello stesso tempo il liposoma si "riproduce"9.
Come si evince dai risultati, entrambi gli approcci sono per ora insufficienti a spiegare con chiarezza se quelle ipotizzate siano state le strade che hanno portato alla formazione della prima forma di vita. L'RNA, infatti, non sarebbe stato in grado di effettuare le proprie reazioni senza un ambiente chiuso nel quale replicarsi, mentre i liposomi non sarebbero stati in grado di conservare e replicare in maniera fedele le informazioni. In sintesi nessuno dei due avrebbe fatto molta strada senza l'altro, probabilmente la giusta combinazione si sarà ottenuta nella simbiosi tra i due sistemi, ma per confermare ciò occorrerà ancora molto lavoro. Ciò che possiamo dire è che entrambi i sistemi, con le loro straordinarie capacità di autoassemblarsi, automantenersi e interagire, hanno probabilmente costruito quello che chiamiamo "vita".
Alessio Paone, studente al quinto anno di Scienze Biologiche presso l'università "Roma Tre" di Roma.
E-mail: [email protected]
1) Oparin, A. 1953. The origin of life, New York: Dover Publications.
2) Haldane, J.B.S. 1929. The origin of life. The Rationalist Annual. Reprinted in J.D. Bernal. 1967. The origin of life. Cleveland and New York: World Publishing Co., pp. 242-249.
3) Orgel, L. E. 1968 "Evolution of the genetic apparatus". Journal of Molecular Biology. (3) 38: pp. 381-93.
4) P.L. Luisi and M. R. Voser 2003 "On the Philosophical framework of the research on the origin of life". In press.
5) Varela, F. 2000. El fenomeno de la vida. Santiago, Chile: Dolmen Esayo.
6) Miller, S.L. 1953. "A production of amino acids under possible primitive earth conditions". Science 117: pp. 528-529.
7) Postlethwite J. H., Hopson J. L. 1995. The nature of life. New York: Mc Graw-Hill Inc.
8) Monnard P. A., Deamer D. W. 2002. "Membrane self-assembly processes: steps toward the first cellular life". The Anatomical Record (3) 268: pp. 196-207.
9) Oberholzer T., Nierhaus K.H., Luisi P.L. 1999."Protein expression in liposomes". Biochemical and Biophysical Research Communication (2) 261: pp. 238-41.
Cerchiamo prima di tutto un modo per affrontare il problema in maniera corretta: un'ipotesi creazionista, che prevede l'azione di una qualche entità superiore, è un problema di fede e non di scienza e in quanto tale non può essere discusso in questa sede né vagliato con mezzi d'indagine sperimentale; ipotizzare che la vita sia giunta da un altro pianeta (Panspermia) significherebbe soltanto spostare il problema; poi bisognerebbe ingegnarsi a spiegare come sia nata la vita lì. Non ci resta che tentare di spiegare in che modo possa aver avuto origine la vita sul nostro pianeta.
Il concetto dal quale i biofisici partono per esplorare il campo dell'origine della vita, è che la stessa si sia originata a partire dalla materia inanimata per incremento continuo della complessità molecolare3 passando prima attraverso la formazione di molecole organiche per poi approdare alla vita cellulare. Questo punto di vista fu formulato negli anni venti da due scienziati: Alexander Oparin e J.B. Haldane1-2.
Questo passaggio alla vita attraverso l'evoluzione molecolare esclude per definizione sia la Panspermia che l'intervento divino.
Il punto di vista tende a semplificare estremamente il concetto della vita che diverrebbe semplicemente una serie di molecole che interagiscono fra loro. Senza addentrarci eccessivamente in problemi epistemologici possiamo dire che questa visione riduzionistica risulta adatta per studiare soltanto la struttura degli esseri viventi, ma non basta per descriverne correttamente alcune proprietà; possiamo ad esempio definire proprietà cose come la coscienza o i sentimenti che non si possono spiegare semplicemente parlando di interazioni tra molecole, nasce quindi la necessità di separare struttura e proprietà, infatti, mentre studiando la struttura delle molecole è possibile comprendere la struttura di un organismo vivente lo stesso non vale per le proprietà, la somma quindi delle proprietà delle singole componenti non basta a comprendere le proprietà del tutto.
Nasce quindi il concetto di "emergenza", esemplificando poteremmo dire che ascoltando le sette note musicali separatamente esse non comunicano niente, se invece vengono assemblate correttamente ecco che emerge una nuova proprietà: la melodia, lo stesso vale per gli organuli che compongono una cellula (e che non possono essere definiti "vivi") dalla loro interazione infatti "emerge" una nuova proprietà che prima non era insita negli organuli stessi e che è appunto la vita4.
L'idea secondo la quale la vita proverrebbe dalla materia inanimata porta gli scienziati a postulare che sia possibile ricrearla in laboratorio. Il tentativo è almeno quello arrivare a produrre quello che viene definito "vita minima".
Per vita minima si intende, come esposto in principio da Francisco Varela e Humberto Maturana, un sistema che sia capace di automantenersi (cioè continuare a esistere utilizzando nutrienti dall'ambiente), autoriprodursi, autoassemblarsi e sottostare all'evoluzione Darwiniana. In seguito Varela chiarirà ulteriormente che il sistema deve: possedere una membrana semipermeabile che è prodotta dal sistema e che a sua volta racchiude quelle reazioni che rigenerano il sistema stesso5.
Uno degli esperimenti fondamentali per comprendere il passaggio dalla materia inanimata alle molecole organiche fu condotto da Stanley Miller nel 1953, egli era riuscito a riprodurre in laboratorio quelle che riteneva le condizioni ambientali esistenti sulla terra ancora senza vita. I risultati mostrarono che venivano a formarsi moltissime sostanze organiche, anche molto complesse. Queste sostanze, costituite da molecole molto grandi, si separavano facilmente dall'acqua nella quale erano immerse unendosi assieme e formando così agglomerati molecolari6.
Dopo questo esperimento lo studio di numerosi scienziati come Ferris, Orgel, Orò eccetera, si è concentrato sul tentativo di comprendere e riprodurre le reazioni che portavano a molecole organiche a partire dal "brodo primordiale", in pochi anni questa nuova branca detta "Chimica Prebiotica" ha portato a sintetizzare numerose molecole organiche partendo da quelle che si stimano essere le condizioni iniziali anche se alcuni passaggi rimangono piuttosto oscuri, come ad esempio la polimerizzazione, cioè la formazione di lunghe catene formate da molecole più piccole a formare le macromolecole come RNA, DNA e proteine, che sono alla base della vita come la conosciamo.
Dagli anni settanta lo studio dei biofisici si è concentrato nel tentativo di comprendere quale fosse il meccanismo di funzionamento dei primi sistemi che potessero essere definiti viventi. Il lavoro, ancora adesso, si sviluppa da due punti di partenza diametralmente opposti. Il primo detto bottom-up approach (approccio dal basso in alto) tende a partire da molecole più semplici per arrivare, incrementandone la complessità, alla minima forma di vita, capace, ricordiamo, di automantenersi, autoreplicarsi e autoassemblarsi.
Il secondo detto top-down approach (dall'alto in basso) parte da cellule complesse, come sono quelle attuali, tendendo a semplificarle il più possibile per giungere alla prima forma di vita.
RNA World (bottom-up approach). Come già accennato questa teoria ipotizza la formazione circa 3,9 miliardi di anni fa, di molecole di RNA che, attraverso una struttura particolare detta ribozima, fossero in grado di autoreplicarsi (cioè di creare molecole identiche a sé stesse) l'RNA in questione sarebbe anche stato in grado di formarsi spontaneamente, ma questo particolare è ancora in fase di studio. Da questi primi RNA, che avevano sia il compito di conservare le informazioni sia quello di fungere da enzima, si sarebbero poi evolute strutture più complesse come le proteine che lo avrebbero sostituito nelle funzioni enzimatiche e il DNA che lo avrebbe sostituito nella conservazione delle informazioni, relegando l'RNA alla semplice funzione di mediatore per la sintesi delle proteine7.
L'approccio compartimentalistico (top-down approach) studia invece il comportamento di alcuni acidi grassi (in particolare fosfolipidi) in soluzione acquosa. Come noto da tempo questo tipo di molecole può aggregarsi spontaneamente a formare delle sfere cave dette "liposomi" che sono in grado quindi di formare un piccolo ambiente pieno d'acqua isolato dal resto del mezzo sempre acquoso. Quando questi liposomi vengono posti in soluzioni che contengono precursori degli acidi grassi (molecole dalla quali derivano gli acidi grassi) che formano il liposoma stesso, si susseguono in sequenza questi avvenimenti:
- I precursori entrano facilmente nel liposoma.
- Subiscono all'interno dello stesso (in ambiente alcalino) delle reazioni
- Gli acidi grassi neoformati entrano a far parte delle pareti del liposoma
In questo modo il liposoma si accresce fino a quando diventa instabile e tende a dividersi in diversi liposomi più piccoli e quindi più stabili8.
Gli esperimenti più recenti in questo campo tendono a inserire all'interno dei liposomi degli apparati estratti da cellule che possano sintetizzare determinate proteine mentre nello stesso tempo il liposoma si "riproduce"9.
Come si evince dai risultati, entrambi gli approcci sono per ora insufficienti a spiegare con chiarezza se quelle ipotizzate siano state le strade che hanno portato alla formazione della prima forma di vita. L'RNA, infatti, non sarebbe stato in grado di effettuare le proprie reazioni senza un ambiente chiuso nel quale replicarsi, mentre i liposomi non sarebbero stati in grado di conservare e replicare in maniera fedele le informazioni. In sintesi nessuno dei due avrebbe fatto molta strada senza l'altro, probabilmente la giusta combinazione si sarà ottenuta nella simbiosi tra i due sistemi, ma per confermare ciò occorrerà ancora molto lavoro. Ciò che possiamo dire è che entrambi i sistemi, con le loro straordinarie capacità di autoassemblarsi, automantenersi e interagire, hanno probabilmente costruito quello che chiamiamo "vita".
Alessio Paone, studente al quinto anno di Scienze Biologiche presso l'università "Roma Tre" di Roma.
E-mail: [email protected]
1) Oparin, A. 1953. The origin of life, New York: Dover Publications.
2) Haldane, J.B.S. 1929. The origin of life. The Rationalist Annual. Reprinted in J.D. Bernal. 1967. The origin of life. Cleveland and New York: World Publishing Co., pp. 242-249.
3) Orgel, L. E. 1968 "Evolution of the genetic apparatus". Journal of Molecular Biology. (3) 38: pp. 381-93.
4) P.L. Luisi and M. R. Voser 2003 "On the Philosophical framework of the research on the origin of life". In press.
5) Varela, F. 2000. El fenomeno de la vida. Santiago, Chile: Dolmen Esayo.
6) Miller, S.L. 1953. "A production of amino acids under possible primitive earth conditions". Science 117: pp. 528-529.
7) Postlethwite J. H., Hopson J. L. 1995. The nature of life. New York: Mc Graw-Hill Inc.
8) Monnard P. A., Deamer D. W. 2002. "Membrane self-assembly processes: steps toward the first cellular life". The Anatomical Record (3) 268: pp. 196-207.
9) Oberholzer T., Nierhaus K.H., Luisi P.L. 1999."Protein expression in liposomes". Biochemical and Biophysical Research Communication (2) 261: pp. 238-41.
