Come siamo sopravvissuti all’acqua

Come hanno fatto le cellule primordiali a sopravvivere all’acqua?

Gli esseri viventi dipendono dall’acqua, che ha la proprietà di scomporre il DNA e altre molecole fondamentali. Dunque come siamo sopravvissuti all’acqua? Questo è il paradosso: come hanno fatto le cellule primordiali ad affrontare questa minaccia?

La vita e l’esplorazione spaziale

Il 18 febbraio 2021, una sonda della NASA precipiterà attraverso l’atmosfera marziana, utilizzando i suoi retro-razzi per frenare la caduta e delle speciali funi per calare sulla superficie un rover a sei ruote chiamato Perseverance. Se tutto andrà secondo i piani, la missione atterrerà nel cratere Jezero, uno squarcio largo 45 chilometri vicino all’equatore del pianeta che un tempo avrebbe potuto tenere un lago di acqua allo stato liquido.

La scelta del sito di atterraggio, riflette uno spostamento nel pensare ai passaggi chimici che hanno trasformato alcune molecole nelle prime cellule biologiche. Sebbene molti scienziati abbiano a lungo ipotizzato che quelle cellule pionieristiche sorsero nell’oceano, recenti ricerche suggeriscono che le molecole chiave della vita, e i suoi processi principali, possono formarsi solo in luoghi come Jezero – ovvero uno specchio d’acqua relativamente poco profondo, alimentato da corsi d’acqua.

Questo perché diversi studi suggeriscono che le sostanze chimiche di base della vita richiedono la formazione di radiazioni ultraviolette dalla luce solare, e che l’ambiente acquatico doveva diventare altamente concentrato o addirittura asciugarsi completamente. Negli esperimenti di laboratorio, Sutherland e altri scienziati hanno prodotto DNA, proteine e altri componenti fondamentali delle cellule riscaldando delicatamente semplici sostanze chimiche a base di carbonio, sottoponendole alle radiazioni UV e asciugandole a intermittenza. I chimici non sono ancora stati in grado di sintetizzare una gamma così ampia di molecole biologiche in condizioni che imitano l’acqua di mare.

L’ipotesi laghi primordiali

Le evidenze emergenti hanno indotto molti ricercatori ad abbandonare l’idea che la vita emergesse negli oceani e si concentrassero invece sugli ambienti terrestri, in luoghi alternativamente umidi e asciutti. Il cambiamento non è certo unanime nel mondo accademico-scientifico, ma gli scienziati che sostengono l’idea di un inizio terrestre dicono che offre la soluzione a un paradosso riconosciuto da tempo: che sebbene l’acqua sia essenziale per la vita, è anche distruttiva per le componenti principali della vita a livello cellulare.

Laghi superficiali e pozzanghere sono molto promettenti, afferma David Catling, scienziato planetario dell’Università di Washington a Seattle. “C’è molto lavoro che è stato fatto negli ultimi 15 anni che conferma quella direzione.”

Zuppa primordiale

Sebbene non ci sia una definizione standardizzata della vita, la maggior parte dei ricercatori concorda sul fatto che ha bisogno di diversi componenti. Una sono le molecole che trasportano informazioni : DNA, RNA o qualcos’altro. Ci deve essere stato un modo per copiare queste istruzioni molecolari, anche se il processo sarebbe stato imperfetto per consentire errori, i semi del cambiamento evolutivo. Inoltre, i primi organismi devono aver avuto un modo per nutrirsi e mantenersi, magari utilizzando enzimi a base proteica. Infine, qualcosa teneva insieme queste parti disparate, tenendole separate dal loro ambiente.

Quando la ricerca di laboratorio sulle origini della vita iniziò seriamente negli anni ’50 del secolo scorso, molti ricercatori presumerono che la vita iniziasse nel mare, con un ricco mix di sostanze chimiche a base di carbonio soprannominate “la zuppa primordiale”.

Ecco come siamo sopravvissuti all’acqua

Questa idea fu proposta indipendentemente negli anni ’20 dal biochimico Alexander Oparin, in quella che allora era l’Unione Sovietica, e dal genetista J.B. S. Haldane nel Regno Unito. Ognuno immaginava la giovane Terra come un’enorme fabbrica chimica, con una moltitudine di sostanze chimiche a base di carbonio sciolte nelle acque dei primi oceani. Oparin ha ragionato sul fatto che si sono formate particelle sempre più complicate, culminando in carboidrati e proteine: quello che ha chiamato “il fondamento della vita”.

Nel 1953, un giovane ricercatore di nome Stanley Miller all’Università di Chicago in Illinois descrisse un esperimento ormai famoso che fu visto come la conferma di questa idea. Usò un pallone di vetro contenente acqua per imitare l’oceano, e un altro pallone contenente metano, ammoniaca e idrogeno per simulare l’atmosfera primordiale. I tubi collegavano i contenitori e un elettrodo simulava un fulmine. Pochi giorni di riscaldamento e scosse elettriche sono stati sufficienti per creare la glicina, l’amminoacido più semplice e un componente essenziale delle proteine. Questo suggerì a molti ricercatori che la vita ebbe inizio vicino alla superficie dell’oceano.

Il cambio di rotta

Ma molti scienziati oggi dicono che c’è un problema fondamentale con questa idea: le molecole della pietra angolare della vita si rompono nell’acqua. Questo perché le proteine, e gli acidi nucleici come DNA e RNA, sono vulnerabili nelle loro articolazioni. Le proteine sono fatte di catene di amminoacidi e gli acidi nucleici sono catene di nucleotidi. Se le catene sono poste in acqua, questa attacca i collegamenti e alla fine li rompe. “L’acqua è un nemico da escludere nel modo più rigoroso possibile”, scrisse il biochimico Robert Shapiro nel suo totemico libro del 1986 “Origins”. Dove criticava l’ipotesi primordiale dell’oceano.

Questo è il paradosso dell’acqua. Oggi, le cellule lo risolvono limitando la libera circolazione dell’acqua nei loro interni, afferma la biologa sintetica Kate Adamala all’Università del Minnesota a Minneapolis. Per questo motivo, le immagini popolari del citoplasma – la sostanza all’interno della cellula – sono spesso sbagliate. “Ci viene insegnato che il citoplasma è solo una borsa che contiene tutto e tutto nuota intorno”, aggiunge. “Non è vero, tutto è incredibilmente impalcato nelle cellule, ed è impalcato in un gel, non in un sacchetto d’acqua.”

Se gli esseri viventi necessitano di controllare l’acqua all’interno delle loro cellule, allora l’implicazione, dicono molti ricercatori, è ovvia. La vita probabilmente si formò sulla terraferma, dove l’acqua era presente solo a intermittenza. Ecco come siamo sopravvisuuti all’acqua.

Perseverance e le indagini su Marte

Il caso migliore, dice Catling, è che Perseverance trovi complicate molecole a base di carbonio negli strati di sedimenti marziani. Come lipidi o proteine, o i loro resti degradati. Questo potrebbe esistere sotto forma di strati di carbonato che si sono formati quando un lago si è asciugato e riempito molte volte. Sospetta che “la vita non sia stata particolarmente longeva su Marte”, perché non ne abbiamo visto alcun segno evidente. Come fossili chiari o scisto nero ricco di carbonio. “Quello che stiamo cercando è piuttosto semplice, forse anche al punto di esseri prebiotici piuttosto che le cellule stesse.”

È possibile che Marte abbia fatto solo i primi passi chimici verso la vita, e non sia andato fino in fondo. In tal caso, potremmo trovare fossili – non di vita, ma di pre-vita. Questo ci aiuterebbe comunque a capire, magari dandoci indizi in che direzione guardare, per cercare di dare una risposta alla fatidica domanda: dove è nata la vita?

Fonte: Nature