Origine della vita

I filosofi dell’antica Grecia pensavano che la vita fosse insita nella materia stessa e quando le condizioni erano favorevoli emergeva spontaneamente. Aristotele sintetizzò in una sua teoria tutte le idee relative alla generazione spontanea, dei filosofi che lo avevano preceduto. Secondo il grande filosofo gli esseri viventi nascono da altri organismi simili, ma a volte possono generarsi anche dalla materia inerte.

In ogni cosa, infatti, ci sarebbero un “principio passivo” rappresentato dalla materia e un “principio attivo” rappresentato dalla forma, ovvero una sorte di forza interna che organizza la materia stessa dandole appunto una forma. Ad esempio, il fango è materia inerte che possiede un principio attivo che altro non è che una predisposizione ad organizzare la materia inerte in un essere vivo, come ad esempio un verme o una rana.

La teoria della generazione spontanea fu sostenuta da illustri scienziati come Newton, Cartesio e Bacone e nel 1500 c’era ancora chi credeva che le oche nascessero da alcuni alberi che vivevano in contatto con l’oceano e che gli agnelli si generassero dentro i meloni. Nel XVII secolo iniziarono i primi esperimenti per provare la teoria della generazione spontanea e un medico Jean Baptiste Van Helmont dichiarò di aver condotto un particolarissimo esperimento: mise, infatti, una camicia sporca a contatto con dei chicchi di frumento e secondo lo scienziato dopo 21 giorni sarebbero nati dei topi. A parere del medico il sudore di cui era impregnata la camicia sarebbe stato il principio attivo grazie al quale la materia inerte si sarebbe trasformata in materia vivente.

Abiogenesi e biogenesi

Dopo i primi esperimenti condotti in maniera poco corretta come quello già citato di Van Helmont, ne arrivarono molti altri. Nel 1668 il medico Francesco Redi condusse una serie di esperimenti che avrebbero dovuto dimostrare che la generazione spontanea non esiste. Redi mise in alcuni contenitori della carne di vitello e del pesce, sigillò ermeticamente, altri invece li lasciò a contatto con l’aria. Con il trascorrere del tempo, egli osservò che nei recipienti aperti si trovavano sulla carne in decomposizione vermi (che in realtà altro non erano che larve di insetti!), mosche e altri insetti, mentre nei contenitori chiusi non si vedevano segni di esseri viventi.

Vita sulla Terra

Sono state formulate due differenti ipotesi sull’origine della vita sulla Terra: la teoria dell’autotrofia e quella sull’eterotrofia. La prima teoria ipotizza che il primo essere vivente fosse autotrofo, in grado cioè di fabbricare sostanze organiche da quelle inorganiche come fanno le piante verdi, attraverso la “fotosintesi clorofilliana”. Nel secondo caso invece, il primo organismo vivente sarebbe stato eterotrofo, cioè non in grado produrre da solo il cibo, ma avrebbe dovuto alimentarsi di altri esseri viventi. Infatti, gli animali (eterotrofi) per vivere hanno bisogno di nutrirsi di piante (autotrofe), mentre queste ultime non ne hanno affatto bisogno.

Atmosfera primordiale

Il Sole e i pianeti che lo circondano si formarono circa 5 miliardi di anni fa dopo l’esplosione di una supernova, cioè una stella molto grossa, che prima di scoppiare aveva generato al suo interno elementi pesanti a partire dall’idrogeno e dall’elio. La Terra quindi all’inizio era un’enorme palla incandescente composta in prevalenza da idrogeno ed elio, ma anche da elementi pesanti come carbonio, azoto, ossigeno, ferro e silicio che erano stati lanciati nello spazio dall’esplosione della supernova. In seguito, la Terra diventò fredda e i gas più leggeri, come idrogeno ed elio, in parte reagirono con gli elementi più pesanti e in parte si dispersero nello spazio.

L’esperimento di Miller

Nel 1952 il professore americano Harold Clayton Urey, premio Nobel per la chimica nel 1934, incaricò un giovane ricercatore, Stanley Lloyd Miller, di eseguire un dato esperimento. All’interno di una boccia di vetro, Miller mise dell’acqua mantenuta ad alta temperatura e in un’altra boccia una miscela di idrogeno (H2), ammoniaca (NH3) e metano (CH4), cioè tutti quei gas che insieme al vapore acqueo (H2O) si pensava che potessero costituire l’atmosfera primordiale. L’acqua calda, che avrebbe dovuto rappresentare secondo gli scienziati l’oceano primitivo, creava vapore che passando attraverso un tubo arrivava al recipiente che conteneva la miscela di gas.

Il brodo primordiale

Gli esperimenti simili a quelli condotti da Miller hanno definitivamente dimostrato che in condizioni di alte temperature, temporali frequenti e intensi raggi ultravioletti, condizioni simili a quelle presenti sul pianeta Venere ancora oggi, molecole inorganiche semplici hanno avuto la possibilità di trasformarsi in sostanze più complesse che chiamiamo organiche, perché fanno parte degli organismi viventi. Queste sostanze organiche poi si sciolsero nel mare e reagirono tra di loro e con i sali inorganici.

Antenati delle proteine

Nel 1957 Sidney Walter Fox, biochimico americano, ideò un esperimento che avrebbe dimostrato come si sarebbero potute formare proteine al di fuori degli esseri viventi partendo da aminoacidi. Fox riscaldò semplicemente una miscela di aminoacidi su una piastra metallica. Subito dopo il raffreddamento era possibile notare alcune molecole complesse, molto simili alle proteine, che egli chiamò “proteinoidi” per non confonderle. Si pensò quindi che queste nuove molecole si fossero formate per l’unione di aminoacidi con liberazione di acqua che era evaporata.

I coacervati

In realtà siamo ancora molto lontani da quello che potrebbe essere definito un organismo vivente anche perché esso attualmente è avvolto da un involucro chiamato “membrana cellulare”, che lo separa dal mondo esterno. Partendo da questi presupposti, Oparin ipotizzò la formazione nei caldi mari primitivi, di unioni di molecole organiche in goccioline, somiglianti alle attuali cellule. Queste piccole gocce avvolte da molecole di acqua sono dette “coacervati” (da cum acervo = ammucchi insieme) ed erano conosciute già da prima di Oparin.

La cellula vivente

Nel 1665 Robert Hook esaminando una laminetta di sughero scoprì la cellula, cioè il mattone che costituisce gli “edifici” degli esseri pluricellulari, e che è un’entità estremamente complessa. Si trovano, infatti, al suo interno una quantità incredibile di strutture definite visibile al microscopio elettronico, strutture queste che svolgono attività biologiche e biochimiche particolari, che rendono la cellula un’”officina” vivente organizzata con incredibile perfezione. Una prova dell’evoluzione della cellula si può avere anche solo osservando al microscopio alcuni infusori (organismi composti da un’unica cellula).

Energia per la vita

Tutti gli esseri viventi hanno bisogno di una fonte di energia per poter attivare reazioni chimiche. Ad esempio, un fiammifero ha bisogno, per essere acceso, di una qualche forma di energia per innescare la reazione. In questo caso basterebbe semplicemente strofinare la capocchia su una superficie ruvida per poter produrre calore e quindi accendere il fiammifero. In questo caso si parla di “energia di attivazione”. Quasi tutti gli esperimenti di cui abbiamo parlato negli altri capitoli, utilizzavano come fonte di energia scariche elettriche, luce ultravioletta e calore.

Fermentazione e respirazione

L’ATP o adenosintrifosfato è una complessa molecola formata da un composto azotato chiamato adenina, da uno zucchero a cinque atomi di carbonio detto ribosio e da tre gruppi fosforici. I gruppi fosforici erano presenti nella crosta terrestre sottoforma di fosfati, cioè sali presenti nelle rocce che le acque calde della Terra primordiale avrebbero potuto sciogliere e portare al mare. L’adenina e il ribosio invece si sarebbero formati spontaneamente e di questo abbiamo una prova sperimentale.

Prima la proteina o il DNA?

Nell’epoca attuale le proteine sono formate sulla base di istruzioni fornite dal DNA (acido esossiribonucleico) che a sua volta è sintetizzato da specifici enzimi che altro non sono che proteine. Allora è nato prima la proteina o il DNA? Gli acidi nucleici (DNA e RNA) sono formati da nucleotidi che sono molecole formate da uno zucchero a cinque atomi di carbonio, una molecola di acido fosforico e una base azotata. Gli zuccheri a cinque atomi di carbonio sono il ribosio, che si trova nell’RNA (acido ribonucleico) e il desossiribosio che si trova nel DNA.

Origine della fotosintesi

Le prime cellule si nutrivano delle sostanze organiche presenti nel brodo primordiale, la cui concentrazione diminuiva lentamente. Molto probabilmente la scarsità di risorse e di energia provocò una selezione. Alcune cellule acquisirono la capacità di trarre nutrimento da altre, mentre altre cellule svilupparono la capacità di sintetizzare nuove sostanze organiche usando l’energia delle ossidazioni. Ancora oggi esistono procarioti (cellule che non possiedono un vero e proprio nucleo cellulare ma un “equivalente” nucleare) che ricavano l’energia per vivere in questo modo, i cosiddetti batteri chemiosintetici.

I primi esseri viventi di cui abbiamo traccia, tramite la raccolta di fossili, risalgono a tre miliardi e mezzo di anni fa. Sono i cosiddetti “stromatoliti”, strutture costituite da molteplici strati sovrapposti come pile di frittelle. Ai nostri giorni è possibile osservare strutture simili agli stromatoliti fossili nei mari caldi dell’Australia. Queste attuali stromatoliti sono costituite dalla crescita di comunità di batteri e alghe azzurre su cui si depositano granelli di sabbia. Sia i batteri sia le alghe azzurre sono organismi procarioti, privi cioè di nucleo differenziato, e quindi poco evolute, ma le alghe azzurre sono in grado di fare la fotosintesi e quindi si può pensare che le primissime forme viventi sulla Terra risalgano ancora prima di tre miliardi e mezzo di anni fa. Non possediamo, tuttavia, testimonianze fossili di cellule eucariote di età superiore ad un miliardo di anni, e quindi possiamo credere che l’evoluzione della vita nei primi due o tre miliardi di anni sia stata lentissima e comunque riferita solo ad organismi unicellulari. Invece si pensa che sia stata molto veloce il passaggio dagli organismi unicellulare a quelli pluricellulari, poiché i primi fossili di organismi complessi erano già abbondanti seicento milioni di anni fa. Proprio seicento milioni di anni fa terminò l’era Precambriana ed iniziò l’era Paleozoica, di cui abbiamo sicure testimonianze fossili, quando la vita si trovava soltanto in mare. In seguito, le alghe iniziarono i primi tentativi per colonizzare la terra ferma. Dopo che arrivarono sulle terre emerse le prime piante, apparvero anche i primi animali erbivori, alcuni dei quali divennero in seguito carnivori.

La teoria di Darwin

L’esperimento di Pasteur semplice e geniale, concluse definitivamente ogni controversia tra sostenitori dell’abiogenesi e della biogenesi, ma fece sorgere nuove domande a proposito dell’origine della vita. Se per generare un essere vivente ci voleva necessariamente un altro essere vivente, chi poteva aver creato il primo? Inoltre, se un organismo genera sempre individui uguali a sé stesso, come è possibile che sulla Terra si possa trovare una così grande varietà di esseri viventi? Per fortuna il ritrovamento dei fossili e la teoria evoluzionista di Darwin riescono a dare alcune risposte a questi nuovi interrogativi.

Sviluppo delle teorie evolutive

Verso la fine del 1800 Weismann (1834-1914) invalidò l’ipotesi di Lamarck secondo la quale i caratteri acquisiti nel corso di una generazione erano trasferibili ai discendenti ed individuò nella mescolanza dei patrimoni ereditari diversi, che avviene con la riproduzione sessuale, la principale causa della variabilità biologica. In questo modo si creò un legame fra evoluzionismo e genetica. I primi contributi della genetica all’evoluzionismo vennero da due ricercatori, Hardy e Weinberg che, indipendentemente, nel 1908 fecero studi e calcoli statistici sulla distribuzione dei geni di una popolazione e sulle condizioni indispensabili perché non si manifestino variazioni tra una generazione e la successiva.

I primi fossili

Le rocce sedimentarie più antiche di cui si ha conoscenza, risalgono a tre miliardi e mezzo di anni fa e forse contengono qualche traccia di vita. Queste rocce sono state trovate in Canada, in Sud Africa e in Australia e sono state datate con molta precisione grazie al metodo dei radioisotopi. L’analisi chimica di queste rocce ha evidenziato la presenza di alcuni composti che potrebbero essere considerati “fossili chimici” perché sembra siano composti che derivano soltanto dal metabolismo di organismi viventi.

Non passa giorno, per così dire, che le ricerche paleontologiche attive in tutto il mondo non ci presentino qualche nuova scoperta: a volte una nuova specie, a volte organismi del tutto sconosciuti, che non hanno rappresentanti tra la fauna e la flora moderni, qualche volta così “strani” da faticare a comprenderne l’anatomia e il modo di vivere, a volte mostrandoci piccoli “scorci” di vita quotidiana rimasti per sempre intrappolati negli strati geologici.

Il quadro generale dell’evoluzione della vita sulla Terra è ora abbastanza chiaro, almeno a grandi linee, ma ogni nuova scoperta costituisce un piccolo tassello che contribuisce a rendere questo quadro sempre più completo e ricco di dettagli. A volte, però, un piccolo dettaglio, conservato per caso nei sedimenti, e altrettanto per caso venuto alla luce e riconosciuto, porta un contributo fondamentale, a volte generando anche qualche “rivoluzione” nel modo di pensare e di interpretare la lunga storia della vita sul nostro pianeta. È il caso, per esempio, di un ritrovamento nello Utah, che mostra come un feroce predatore, Falcarius, un dinosauro coperto di penne, simile al Velociraptor, si sia evoluto successivamente in un dinosauro erbivoro, circa 125 milioni di anni fa, in una sorta di “contro evoluzione”.

Che cos’è un fossile

Alla morte di un organismo, le parti che normalmente sono risparmiate dalla decomposizione sono le parti dure, mineralizzate: gusci ed esoscheletri, ossa e denti, scaglie, squame. Una volta dissolti i tessuti molli, le parti mineralizzate possono venire trasportate dall’ acqua o dalla gravità, e accumulate in giacimenti fossiliferi, dove divengono parte dei sedimenti che li includono e possono conservarsi per milioni di anni. In questi casi, raramente si rinvengono scheletri completi, e i resti fossili sono in genere mescolati, spesso con organismi di specie diverse frammisti tra loro.

Nascita della vita ed evoluzione

La nascita della vita sulla Terra ha richiesto una lunghissima “incubazione”: in un periodo compreso tra 4.5 e 3.8 miliardi di anni si posero le basi per la formazione degli “ingredienti” che portarono alla nascita delle prime cellule. Questo lontano mondo si ritrova oggi in alcuni tra i più inospitali luoghi della Terra: nelle sorgenti di acqua calda e nelle “fumarole” vulcaniche delle dorsali oceaniche. Delle primissime fasi della vita, però, non esiste “memoria” negli strati geologici. I più antichi fossili, vecchi di 3.5 miliardi di anni, sono stati trovati in rocce sedimentarie dell’Australia Nordoccidentale.

La storia della vita

L’era successiva, il Mesozoico, è caratterizzata dalla straordinaria evoluzione dei rettili, gli indiscussi signori di quest’era. Evolutisi dagli anfibi con “l’invenzione” dell’uovo, che li rese indipendenti dall’acqua anche per la riproduzione, alcuni rettili ritornarono all’acqua, diventando abili nuotatori. La maggior parte dei rettili era erbivora, ma si evolvettero molte specie carnivore. Alcuni poi, come il dinosauro pennuto del genere Falcarius che sta facendo recentemente parlare di sé, ritornarono ad uno stile di vita erbivoro.

Ricostruire il passato

Quello dei paleontologi è un paziente lavoro di investigazione, in cui anche il più piccolo indizio può essere fondamentale per ricostruire, a volte da un piccolissimo frammento osseo, l’aspetto e le abitudini di vita di un essere vivente del passato. In generale, si utilizza anche in paleontologia, come in geologia, il principio dell’attualismo, per cui si ipotizza che organi simili (una zampa, un cranio, una spina dorsale) in organismi attuali e del passato servissero allo stesso scopo e funzionassero nello stesso modo. Per questo, la ricostruzione degli organismi fossili viene fatta cercando il confronto con gli organismi attuali più simili al reperto da studiare.

La paleoecologia

Una volta ricostruita la fisionomia degli esseri viventi del passato, è importante anche ricostruire l’ambiente e lo stile di vita. I sedimenti in cui sono ritrovati i resti fossili spesso danno importanti indicazioni sulla geografia dell’ambiente in cui gli organismi vivevano, in particolare per gli organismi ritrovati “in posizione di vita”, morti e fossilizzati, quindi, nel loro ambiente naturale. Anche l’associazione con altre specie fossili può aiutarci a comprendere in che tipo di ambiente vivevano: si pensi, per esempio, alle tipiche associazioni di organismi che vivono su una barriera corallina.

Adattamento dei dinosauri

In Alaska e nel Sud dell’Australia (allora unita all’Antartide) sono stati trovati fossili di dinosauri cretacici che vivevano in territori situati oltre i circoli polari. Il clima non era, all’epoca, rigido come quello attuale, ma, a causa delle lunghe notti polari, le temperature dovevano essere, nella stagione di scarsa isolazione, piuttosto basse, probabilmente di pochi gradi. Alcuni ricercatori, di fronte a questi ritrovamenti eccezionali di animali ritenuti tradizionalmente a sangue freddo in un ambiente con basse temperature, hanno ipotizzato che compissero lunghe migrazioni durante i periodi più freddi, oppure che cadessero in letargo, un po’ come fanno, da noi, testuggini e anfibi.

Storie di vita quotidiana

Lo studio dei fossili, organismi morti da milioni di anni, offre a volte incredibili sorprese, con il ritrovamento di organismi colti dalla morte durante le loro attività quotidiane. Preziosissime per la ricostruzione delle abitudini di vita, queste testimonianze ci offrono la possibilità di osservare, in modo sorprendentemente vivido, alcune scene di vita quotidiana, a volte crudeli, a volte persino tenere e commoventi. In una grotta del M. Generoso, sul confine con la Svizzera, vicino a Chiasso, è stata scoperta una grotta dove un gruppo di orsi delle caverne trascorreva il letargo…