- Parte prima: come fare una gabbia -
- Parte seconda: una divisione nei ranghi degli scienziati -
- Parte terza: alla ricerca del primo replicatore -
- Parte quinta: quindi come si crea una cella? -
- Parte sei: La grande unificazione -
Nel secondo capitolo abbiamo appreso come gli studiosi si dividono in tre scuole di pensiero, riflettendo sulle origini della vita. Un gruppo era convinto che la vita fosse iniziata con una molecola di RNA, ma non poteva mostrare come l'RNA o molecole simili potessero formarsi spontaneamente sulla Terra primordiale e poi fare copie di se stesse. All'inizio i loro sforzi furono incoraggianti, ma alla fine rimase solo la delusione. Tuttavia, altri ricercatori dell'origine della vita che hanno seguito percorsi diversi hanno ottenuto alcuni risultati.
La teoria del mondo dell'RNA si basa su un'idea semplice: la cosa più importante che un organismo vivente può fare è riprodursi. Molti biologi sarebbero d'accordo con questo. Dai batteri alle balene blu, tutti gli esseri viventi si sforzano di avere una prole.
Tuttavia, molti ricercatori dell'origine della vita non considerano la riproduzione fondamentale. Prima che un organismo possa riprodursi, dicono, deve diventare autosufficiente. Deve mantenersi in vita. Dopo tutto, non puoi avere figli se muori prima.
Ci manteniamo in vita consumando cibo; le piante verdi lo fanno estraendo energia dalla luce solare. A prima vista, la persona che mangia una bistecca succosa è molto diversa da una quercia frondosa, ma quando la guardi, entrambi hanno bisogno di energia.
Questo processo è chiamato metabolismo. Per prima cosa devi ottenere energia; diciamo da sostanze chimiche ricche di energia come lo zucchero. Quindi devi usare questa energia per costruire qualcosa di utile, come le cellule.
Questo processo di utilizzo dell'energia è così importante che molti ricercatori lo considerano il primo da cui è iniziata la vita.
L'acqua vulcanica è calda e ricca di minerali
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Come sarebbero questi organismi solo metabolici? Una delle ipotesi più interessanti è stata fatta alla fine degli anni '80 da Gunther Wachtershauser. Non era uno scienziato a tempo pieno, ma piuttosto un avvocato specializzato in brevetti con poca conoscenza di chimica.
Wachtershauser ha suggerito che i primi organismi erano "radicalmente diversi da tutto ciò che sapevamo". Non erano fatti di cellule. Non avevano enzimi, DNA o RNA. No, invece, Wachtershauser ha immaginato un flusso di acqua calda che esce da un vulcano. Quest'acqua è ricca di gas vulcanici come l'ammoniaca e contiene tracce di minerali dal cuore del vulcano.
Dove l'acqua scorreva attraverso le rocce, iniziarono a verificarsi reazioni chimiche. In particolare, i metalli dell'acqua hanno aiutato i composti organici semplici a fondersi in quelli più grandi. La svolta è stata la creazione del primo ciclo metabolico. È un processo in cui una sostanza chimica viene convertita in una serie di altre sostanze chimiche fino a quando l'originale non viene infine ricreato. Durante il processo, l'intero sistema accumula energia che può essere utilizzata per riavviare il ciclo e per altre cose.
Tutto il resto che costituisce un organismo moderno - DNA, cellule, cervello - è apparso più tardi, in cima a questi cicli chimici. Questi cicli metabolici hanno poca somiglianza con la vita. Wachtershauser definì la sua invenzione "precursori di organismi" e scrisse che "difficilmente possono essere chiamati vivi".
Ma i cicli metabolici come quelli descritti da Wachtershauser sono al centro di tutta la vita. Le vostre cellule sono essenzialmente fabbriche chimiche microscopiche, che distillano costantemente una sostanza in un'altra. I cicli metabolici non possono essere chiamati vita, ma sono fondamentali per la vita.
Durante gli anni '80 e '90, Wachtershauser ha lavorato sui dettagli della sua teoria. Ha delineato quali minerali sarebbero più adatti e quali cicli chimici potrebbero aver luogo. Le sue idee hanno iniziato ad attirare sostenitori.
Ma tutto questo era puramente teorico. Wachtershauser aveva bisogno di una vera scoperta per supportare le sue idee. Fortunatamente, era già stato fatto dieci anni prima.
Fonti nel Pacifico
Nel 1977, un team guidato da Jack Corliss della Oregon State University si è immerso per 2,5 chilometri nel Pacifico orientale. Hanno studiato le sorgenti calde delle Galapagos in luoghi in cui alte creste si alzavano dal fondo del mare. Queste creste erano vulcanicamente attive.
Corliss ha scoperto che queste creste erano letteralmente punteggiate di sorgenti termali. Acqua calda e ricca di sostanze chimiche sale da sotto il fondo del mare e scorre attraverso i buchi nelle rocce.
Incredibilmente, queste prese d'aria idrotermali erano densamente popolate di strani animali. C'erano enormi vongole, cozze e anellidi. L'acqua era anche molto satura di batteri. Tutti questi organismi vivevano con l'energia degli sfiati idrotermali.
La scoperta di queste fonti ha dato a Corliss un nome. E mi ha fatto pensare. Nel 1981 suggerì che tali prese d'aria esistessero sulla Terra quattro miliardi di anni fa e che diventassero il luogo di origine della vita. Ha dedicato la maggior parte della sua carriera allo studio di questo problema.
Le prese d'aria idrotermali hanno una vita strana
Corliss ha suggerito che le prese d'aria idrotermali potrebbero creare cocktail di sostanze chimiche. Ogni fonte, ha detto, era una specie di spruzzo di brodo primordiale.
Mentre l'acqua calda scorreva attraverso le rocce, il calore e la pressione hanno fatto sì che i composti organici semplici si fondessero in quelli più complessi, come gli amminoacidi, i nucleotidi e gli zuccheri. Più vicino al confine con l'oceano, dove l'acqua non era così calda, iniziarono a legarsi in catene, per formare carboidrati, proteine e nucleotidi come il DNA. Quindi, quando l'acqua si è avvicinata all'oceano e si è raffreddata ancora di più, queste molecole si sono riunite in cellule semplici.
È stato interessante, la teoria ha attirato l'attenzione della gente. Ma Stanley Miller, di cui abbiamo discusso l'esperimento nella prima parte, non ci credeva. Nel 1988 scrisse che le prese d'aria profonde erano troppo calde.
Sebbene il calore intenso possa produrre sostanze chimiche come gli amminoacidi, gli esperimenti di Miller hanno dimostrato che può anche distruggerli. Composti di base come gli zuccheri "potrebbero sopravvivere per un paio di secondi, non di più". Inoltre, è improbabile che queste semplici molecole si leghino in catene, poiché l'acqua circostante le spezzerebbe istantaneamente.
In questa fase, il geologo Mike Russell si è unito alla battaglia. Credeva che la teoria delle prese d'aria idrotermali potesse essere abbastanza corretta. Inoltre, gli sembrava che queste fonti sarebbero state la casa ideale per i precursori dell'organismo Wachtershauser. Questa ispirazione lo ha portato a creare una delle teorie più ampiamente accettate sulle origini della vita.
Geologo Michael Russell
La carriera di Russell ha avuto molte cose interessanti - ha fatto l'aspirina alla ricerca di minerali preziosi - e in un incidente notevole negli anni '60, ha coordinato la risposta a una possibile eruzione vulcanica, nonostante la mancanza di preparazione. Ma era più interessato a come la superficie terrestre è cambiata nel corso degli eoni. Questa prospettiva geologica ha dato origine alle sue idee sull'origine della vita.
Negli anni '80, ha trovato prove fossili di un tipo meno turbolento di vena idrotermale, dove le temperature non superavano i 150 gradi Celsius. Queste temperature miti, ha detto, potrebbero consentire alle molecole della vita di vivere più a lungo di quanto Miller pensasse.
Inoltre, i resti fossili di queste prese d'aria "fredde" contenevano qualcosa di strano: la pirite minerale, composta da ferro e zolfo, si era formata in tubi di 1 mm di diametro. Mentre lavorava in laboratorio, Russell scoprì che la pirite potrebbe anche formare goccioline sferiche. E ha suggerito che le prime molecole organiche complesse potrebbero essersi formate all'interno di queste semplici strutture di pirite.
Pirite di ferro
Fu in questo periodo che Wachtershauser iniziò a pubblicare le sue idee, che si basavano sul flusso di acqua calda e chimicamente arricchita che scorreva attraverso i minerali. Ha anche suggerito che fosse coinvolta la pirite.
Russell ha aggiunto due più due. Ha suggerito che le prese d'aria idrotermali in profondità nel mare, abbastanza fredde da consentire la formazione di strutture di pirite, ospitano i precursori degli organismi Wachtershauser. Se Russell aveva ragione, la vita è iniziata in fondo al mare e il metabolismo è apparso per la prima volta.
Russell ha messo tutto insieme in un articolo pubblicato nel 1993, 40 anni dopo il classico esperimento di Miller. Non ha generato lo stesso entusiasmo mediatico, ma era probabilmente più importante. Russell ha combinato due idee apparentemente separate - i cicli metabolici di Wachtershauser e le prese d'aria idrotermali Corliss - in qualcosa di veramente avvincente.
Russell ha persino offerto una spiegazione di come i primi organismi hanno ottenuto la loro energia. Cioè, ha capito come potrebbe funzionare il loro metabolismo. La sua idea era basata sul lavoro di uno dei geni dimenticati della scienza moderna.
Peter Mitchell, premio Nobel
Negli anni '60, il biochimico Peter Mitchell si ammalò e fu costretto a ritirarsi dall'Università di Edimburgo. Invece, ha aperto un laboratorio privato in una remota tenuta in Cornovaglia. Isolato dalla comunità scientifica, ha finanziato il suo lavoro con una mandria di vacche da latte. Molti biochimici, tra cui Leslie Orgel, il cui lavoro sull'RNA abbiamo discusso nella Parte 2, consideravano le idee di Mitchell completamente ridicole.
Qualche decennio dopo, Mitchell attendeva una vittoria assoluta: il Premio Nobel per la Chimica del 1978. Non è diventato famoso, ma le sue idee sono oggi in tutti i libri di testo di biologia. Mitchell ha trascorso la sua carriera cercando di capire cosa fanno gli organismi con l'energia che ottengono dal cibo. Fondamentalmente, si chiedeva come riusciamo a sopravvivere ogni secondo.
Sapeva che tutte le cellule immagazzinano la loro energia in una molecola: l'adenosina trifosfato (ATP). Una catena di tre fosfati è attaccata all'adenosina. L'aggiunta di un terzo fosfato richiede molta energia, che viene poi bloccata nell'ATP.
Quando una cellula ha bisogno di energia, ad esempio quando un muscolo si contrae, scompone un terzo fosfato in ATP. Questo converte l'ATP in adenosidifosfato (ADP) e rilascia l'energia immagazzinata. Mitchell voleva sapere come una cellula produce ATP in generale. Come immagazzina abbastanza energia nell'ADP per attaccare il terzo fosfato?
Mitchell sapeva che l'enzima che produce l'ATP era nella membrana. Pertanto, ho ipotizzato che la cellula pompa particelle cariche (protoni) attraverso la membrana, quindi molti protoni si trovano su un lato, ma non sull'altro.
I protoni quindi cercano di fuoriuscire attraverso la membrana per bilanciare il numero di protoni su ciascun lato, ma l'unico punto in cui possono passare è l'enzima. Il flusso di protoni fluenti ha quindi fornito all'enzima l'energia necessaria per creare ATP.
Mitchell ha presentato per la prima volta la sua idea nel 1961. Ha trascorso i successivi 15 anni a difenderla da tutte le parti, fino a quando le prove sono state inconfutabili. Ora sappiamo che il processo Mitchell è utilizzato da ogni essere vivente sulla Terra. In questo momento, scorre nelle tue cellule. Come il DNA, è alla base della vita che conosciamo.
Russell ha preso in prestito da Mitchell l'idea del gradiente protonico: ci sono molti protoni su un lato della membrana e pochi sull'altro. Tutte le cellule hanno bisogno di un gradiente protonico per immagazzinare energia.
Le cellule moderne creano gradienti pompando protoni attraverso le membrane, ma ciò richiede un meccanismo molecolare complesso che semplicemente non potrebbe apparire da solo. Così Russell fece un altro passo logico: la vita doveva formarsi da qualche parte con un gradiente protonico naturale.
Ad esempio, da qualche parte vicino a bocchette idrotermali. Ma deve essere un tipo speciale di fonte. Quando la Terra era giovane, i mari erano acidi e l'acqua acida contiene molti protoni. Per creare un gradiente protonico, l'acqua della sorgente deve essere povera di protoni: deve essere alcalina.
Le fonti di Corliss non si adattavano. Non solo erano troppo caldi, ma erano anche aspri. Ma nel 2000, Deborah Kelly dell'Università di Washington ha scoperto le prime fonti alcaline.
Città perduta
Kelly ha dovuto lavorare sodo per diventare uno scienziato. Suo padre è morto mentre stava finendo il liceo ed è stata costretta a lavorare per rimanere al college. Ma ha affrontato e ha scelto vulcani sottomarini e sorgenti idrotermali calde in fiamme come argomento di suo interesse. Questa coppia l'ha portata al centro dell'Oceano Atlantico. A questo punto, la crosta terrestre si è incrinata e dal fondo del mare si è alzato un costone di montagne.
Su questa cresta, Kelly ha scoperto un campo di prese d'aria idrotermali, che ha chiamato "The Lost City". Non assomigliavano a quelli trovati da Corliss. L'acqua scorreva fuori da loro a una temperatura di 40-75 gradi Celsius ed era leggermente alcalina. I minerali carbonatici di quest'acqua si accumulavano in ripidi "pennacchi di fumo" bianchi che salivano dal fondo marino come canne d'organo. Sembrano raccapriccianti e spettrali, ma non lo sono: ospitano molti microrganismi.
Queste prese d'aria alcaline si adattano perfettamente alle idee di Russell. Credeva fermamente che la vita apparisse in tali "città perdute". Ma c'era un problema. In qualità di geologo, non sapeva molto di cellule biologiche per presentare la sua teoria in modo convincente.
Una colonna di fumo dalla "sala fumatori nera"
Così Russell ha collaborato con il biologo William Martin. Nel 2003 hanno presentato una versione migliorata delle prime idee di Russell. E questa è probabilmente la migliore teoria dell'emergere della vita al momento.
Grazie a Kelly, ora sapevano che le rocce delle sorgenti alcaline erano porose: erano punteggiate da minuscoli fori riempiti d'acqua. Queste piccole tasche, suggerirono, agivano come "cellule". Ogni tasca conteneva sostanze chimiche di base, compresa la pirite. In combinazione con il gradiente protonico naturale delle sorgenti, erano il luogo perfetto per iniziare il metabolismo.
Dopo che la vita ha imparato a sfruttare l'energia delle acque sorgive, dicono Russell e Martin, ha iniziato a creare molecole come l'RNA. Alla fine, ha creato una membrana per se stessa ed è diventata una vera cellula, scappando dalla roccia porosa in mare aperto.
Tale trama è attualmente considerata come una delle ipotesi principali sull'origine della vita.
Le cellule fuggono dalle prese d'aria idrotermali
Nel luglio 2016, ha ottenuto sostegno quando Martin ha pubblicato uno studio che ricostruisce alcuni dettagli dell '"ultimo antenato comune universale" (LUCA). È un organismo vissuto miliardi di anni fa e da cui ha avuto origine tutta la vita esistente.
È improbabile che troveremo mai prove fossilizzate dirette dell'esistenza di questo organismo, ma tuttavia possiamo fare ipotesi plausibili su come appariva e cosa faceva mentre studiavamo i microrganismi dei nostri giorni. Questo è ciò che ha fatto Martin.
Ha esaminato il DNA di 1930 microrganismi moderni e ha identificato 355 geni che quasi tutti avevano. Questa è una prova convincente del trasferimento di questi 355 geni, attraverso generazioni e generazioni, da un antenato comune, nel periodo in cui visse l'ultimo antenato comune universale.
Questi 355 geni ne attivano alcuni per utilizzare il gradiente protonico, ma non per generarlo, come avevano predetto Russell e Martin. Inoltre, LUCA sembra essere stato adattato alla presenza di sostanze chimiche come il metano, suggerendo che abitava un ambiente vulcanicamente attivo, simile a una ventola.
I sostenitori dell'ipotesi "RNA world" indicano due problemi con questa teoria. Uno può essere risolto; l'altro può essere fatale.
Sorgenti idrotermali
Il primo problema è che non ci sono prove sperimentali per i processi descritti da Russell e Martin. Hanno una storia passo passo, ma nessuno di questi passaggi è stato osservato in laboratorio.
"Le persone che credono che tutto sia iniziato con la riproduzione trovano costantemente nuovi dati sperimentali", afferma Armen Mulkidzhanyan. "Le persone che stanno per il metabolismo non lo fanno."
Ma le cose potrebbero cambiare, grazie al collega di Martin Nick Lane dell'University College di Londra. Ha costruito un "Origin of Life Reactor" che simula le condizioni all'interno di una sorgente alcalina. Spera di vedere cicli metabolici e forse anche molecole come l'RNA. Ma è troppo presto.
Il secondo problema è l'ubicazione delle sorgenti nel mare profondo. Come ha notato Miller nel 1988, le molecole a catena lunga come l'RNA e le proteine non possono formarsi nell'acqua senza enzimi ausiliari.
Per molti scienziati, questo è un argomento fatale. "Se sei bravo in chimica, non verrai corrotto dall'idea di sorgenti di acque profonde, perché sai che la chimica di tutte queste molecole è incompatibile con l'acqua", dice Mulkidzhanian.
Tuttavia Russell e i suoi alleati rimangono ottimisti.
È stato solo nell'ultimo decennio che è emerso un terzo approccio, supportato da una serie di esperimenti insoliti. Promette qualcosa che né il mondo dell'RNA né gli sfiati idrotermali sono stati in grado di ottenere: un modo per creare un'intera cellula da zero. Maggiori informazioni su questo nella parte successiva.
ILYA KHEL
- Parte prima: come fare una gabbia -
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