Fisica, chimica e biologia evoluzionistica prima dell’avvio planetario della vita

Vi ricordate quando è iniziata la vita sulla Terra? È possibile, invero probabile, che nessuno di noi fosse presente proprio in quell’attimo. Quel momento ora giorno anno secolo millennio esatti! In realtà, siamo abbastanza certi che un singolo “momento” non si sia mai verificato. Siamo abituati a leggere, scrivere e propagare che si dovrebbe comunque tornare indietro nel tempo di quasi quattro miliardi e mezzo di anni. Miliardo più miliardo meno, minuto più minuto meno: è una scala di tempo per noi quasi incomprensibile. Tuttavia, risulta opportuno ragionare anche su quanto è accaduto “prima”, non solo “dopo” l’avvio della vita, per come siamo capaci di capirla e definirla oggi: attraverso quali processi si è passati da molecole inorganiche a molecole organiche e poi a molecole capaci di replicarsi, da fattori solo abiotici a ecosistemi terrestri di fattori sia abiotici che biotici, biodiversamente interagenti.

Siamo abbastanza abituati a considerare l’evoluzione della vita dopo che in qualche modo c’è, i cosiddetti vari regni di esseri viventi che si sono succeduti e intersecati negli ecosistemi planetari e nell’ecosistema globale, di fattori sia biotici che abiotici, di individui appartenenti alle opportune classificazioni tassonomiche che vi vivono in parallelo, più o meno in gruppo e talora in simbiosi. Fatto sta che c’è un’evoluzione (fisica, chimica e per certi versi biologica) prima della vita. Ammesso che sappiamo davvero definire con qualche senso comunitario questa nostra benedetta vita! Vi sono ancora alcune domande aperte sull’origine della vita, più o meno precise ma irrisolte, risposte incerte o parziali.

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Un recente volume ha provato con successo a fare il punto delle conoscenze attuali: Francesco Cacciante, Dalle stelle alla cellula. La vita è scritta nelle leggi dell’Universo, Apogeo Feltrinelli Milano 2025, pag. 264 euro 20. Secondo l’autore, motivatamente, in principio era l’informazione, anche la vita è informazione, oltre che materia (ciò che compone le cose) ed energia (ciò che fa fare cose alle cose). Nell’universo, materia ed energia concorrono a formare gli atomi, particelle con un nucleo (e protoni, altrettanti elettroni, variabili neutroni) che si combinano fra loro per formare molecole diverse. Il “significato” di tutto ciò dipende dall’informazione, che si manifesta attraverso le leggi della fisica, dando origine a stelle, pianeti e lune, ma anche a tutte le molecole che le compongono. Le molecole che si formano spontaneamente in natura sono informazione. Poi, i sistemi “viventi” creano attivamente le molecole di cui hanno bisogno, a partire da altre molecole che trovano nel contesto circostante, trasformano e fanno entrare le molecole a far parte di un “sistema” in grado di propagarsi, ovvero autoorganizzarsi e autosostenersi, riprodursi e replicarsi. 

Anche in biologia bisogna, perciò, distinguere fra informazione analogica (molecole) e informazione digitale (i sistemi viventi, senza corrispondenza tra forma e informazione). Sulla Terra il sistema d’informazione è costituito da tre componenti di polimeri: acidi nucleici e RNA, proteine, DNA. Noi macchine biologiche (viventi umani, forse un poco sapienti) siamo informazione in grado di riflettere e capire la propria stessa informazione e studiare l’abiogenesi, ovvero il processo spontaneo attraverso cui la vita è nata sulla Terra primordiale, l’insieme di eventi ipotetici e connessi che sono avvenuti almeno una volta qui, dove sopravviviamo e ci riproduciamo ancor oggi, in pieno tempo di cambiamenti climatici antropici globali.

Il giovanissimo biologo molecolare e neuroscienziato Francesco Cacciante (dopo il dottorato a Pisa e pure attraverso la fertile pagina @acacciadiscienza), capace di “tradurre” concetti scientifici complessi in contenuti accessibili a tutti e tutte, affronta nel testo, con un competente stile colloquiale, gli elementi certi, incerti o misteriosi dell’origine della vita. Secondo l’autore, abbiamo oggi ormai un numero sufficiente di modelli, corroborati da prove empiriche in laboratorio, per poter costruire una narrazione coesa e organica della storia (fatta di eventi consequenziali) che ha portato alla vita biologica, dove nulla è lasciato al caso, né all’intervento divino. A quel tempo (l’Adeano) una massa “fisica” di polveri, rocce, metalli, gas ed elementi radioattivi vorticava intorno al nostro Sole, per azione della forza di gravità le cose si aggregarono dando origine a Gaia, una Terra informe e incandescente (proprio per la compressione gravitazionale), inospitale e inabitabile, con una composizione “chimica” peculiare, cui si aggiunse significativamente un satellite, la Luna, esistono ancora molte teorie su come e perché. Emerse comunque un sistema pianeta-luna, in orbita intorno al proprio Sole, alba di una storia meravigliosa. 

La struttura del volume è distinta in cinque parti (e oltre una ventina di capitoli): “Per astra ad inferi”, la fase di raccolta, nella quale le molecole necessarie per avviare i processi biochimici sono state prima sintetizzate in molecole biogeniche (qui si parla di FUCA), per poi avviare un protometabolismo (lontano dall’equilibrio), durante il quale tali molecole biogeniche hanno cominciato a interagire fra loro attraverso varie reazioni spontanee, dando corpo a molecole più complesse, grazie sia agli input energetici propri del sistema (come calore, radiazioni, molecole reattive, ecc.), sia grazie a catalizzatori inorganici prima e catalizzatori peptidici poi; “Il mondo a RNA”, l’origine dei primi replicatori, ovvero i primi sistemi in grado di codificare e replicare l’informazione; “Gli spazi della vita”, la comparsa delle prime membrane in grado di ospitare le prime cellule; “Dall’RNA alle proteine”, lo sviluppo di un sistema in grado di costruire proteine in maniera regolata; “LUCA?”, la nascita della prima cellula, o proto-cellula, ovvero il primo sistema definibile come vivente, risultato di una serie di contingenze storiche, né casuali né determinate. 

Si aprono solo successivamente, come noto, i vari miliardi di anni di vita unicellulare, prima di quelli della vita complessa di organismi pluricellulari, compresa la “nostra” umana (da qualche milione di anni). Quella che consideriamo l’evoluzione della vita mantiene svolte e passaggi su cui esistono risposte incerte o teorie diverse, per esempio proprio su quando siano comparsi gli organismi composti di diverse cellule specializzate: a lungo si è indicato circa 3,9 miliardi per i procarioti unicellulari (senza nucleo), circa 2,1 miliardi di anni fa per i primissimi eucarioti pluricellulari, circa 1,6 miliardi di anni fa per i pluricellulari intricati, via via più complessi e differenti. I vari “momenti” sono imprecisati e forse non si tratta di casi occorsi in un’unica “occasione”. Cacciante illustra quanto è successo prima della comparsa della cellula inorganica, appunto dalle stelle alla cellula (da cui il titolo), con tante utili figure lungo il testo, due brevi appendici, la minima bibliografia e poche note in fondo.

Attraverso un processo graduale di espansione e di ottimizzazione, guidato dalla selezione naturale, e tale da minimizzare gli effetti deleteri delle mutazioni, ha avuto origine il codice genetico che è arrivato fino a noi. Altro che quel bravo cantante ce lo ha nel DNA, quel nuotatore vincente ce lo ha nel DNA, quel criminale efferato ce lo ha nel DNA! Le proteine (factotum all’interno delle cellule) non sono un elemento essenziale per la comparsa della vita, ma la vita sulla Terra ha sviluppato proteine (con la loro estrema varietà di funzioni) perché le condizioni erano tali da rendere conveniente utilizzarle. Magari erano semplicemente abbondanti. La vita avrebbe potuto svilupparsi attraverso tanti meccanismi diversi, il processo terrestre prevede l’interazione di moltissimi fattori che agiscono e si influenzano fra loro. La nascita della sintesi proteica (quasi quattro miliardi e mezzo di anni fa, probabilmente, all’incirca) rappresenta un punto di convergenza fra il mondo degli acidi nucleici e quello dei peptidi, uno degli snodi principali della nostra (futura) storia. Le protocellule si svilupparono dentro rocce porose, ogni poro non completamente isolato rispetto agli altri. Non dobbiamo pensare alla nascita della vita come alla nascita di una singola cellula che ha acquisito gradualmente “tutte” le funzioni.

Ogni protocellula, in realtà, secondo Cacciante, “sarebbe stata un laboratorio entro il quale l’evoluzione molecolare avrebbe condotto gli esperimenti più disparati, creando ogni sorta di proteina e immagazzinando le informazioni per costruirle entro sequenze di RNA che funzionavano da geni primordiali”. In questo complesso ecosistema interconnesso si sarebbero evolute e selezionate le catene peptidiche antenate delle proteine moderne. L’RNA avrebbe coperto il ruolo di catalizzatore coi ribozomi (ribosomiale), quello di molecola informativa coi primi geni (messaggero) e quello di adattatore di fra acidi nucleici e proteine, via via specializzandosi proprio in questa decisiva funzione di connettore (transfer). Appare probabile che il DNA sia apparso abbastanza tempo dopo la messa a punto della sintesi proteica, era il tassello che mancava, la codifica dell’informazione in una molecola, un sistema in grado di riprodursi.

Di come dovesse essere il metabolismo di LUCA, l’organismo da cui discendono tutti gli altri (noi compresi), sappiamo ancora poco; non abbiamo tracce fossili (nemmeno di alcuni successivi passaggi, come quello da organismi unicellulari a organismi pluricellulari, pur se si sta verificando meglio, in varie parti del mondo, per esempio in Gabon); è una di quelle pagine rovinate della nostra storia sull’incandescente Terra dell’Adeano. Sicuramente, sono stati presenti la codifica dell’informazione sotto forma di acidi nucleici, l’impiego di proteine per l’esecuzione di funzioni e l’ottenimento di energia per sostenere tutte le reazioni che compongono tali funzioni, caratteristiche non apparse da un giorno all’altro (nemmeno così separate, definite, precise). La nascita della vita non è un miracolo, è una delle tante espressioni dell’informazione che permea l’universo, è una proprietà “emergente” in quanto nessuna delle sue singole componenti è vivente, è il risultato di una serie di processi chimici, biochimici e fisici che ha coinvolto le molecole presenti sul nostro pianeta. Già.