Teorie sull’origine e sull’evoluzione
delle biomolecole fondamentali(Cfr.bibl.nr.5,6,10,11)
Per quanto riguarda l’origine delle proteine, il problema è più complesso. Infatti finora sono state individuate solo due vie, mediante le quali è possibile realizzare la sintesi pre-biologica di proteine.Akaburi ha dimostrato che un poli-alfa aminoacido, composto da un residuo di glicina poteva ottenersi per condensazione da amminoaceto-nitrile senza formazione intermedia di amminoacidi .Egli ha proposto che questo polimero (preproteina) sia servito come precursore di polimeri molto più complessi quali le proteine. Nonostante sia riuscito ad inserire altri tipi di amminoacidi nella "preproteina" i prodotti ottenuti non si avvicinano alla complessità delle proteine attuali.
S. W.Fox e K. Harada hanno scoperto successivamente che è possibile polimerizzare termicamente le molecole di amminoacidi; essi sono riusciti ad ottenere dei polimeri contenenti 18 amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine, scaldando a secco miscugli di amminoacidi con acido aspartico e glutammico in sufficiente quantità .Tali polimeri detti proteinoidi, hanno un alto peso molecolare, sono digeribili dagli enzimi proteolitici e possiedono deboli proprietà catalitiche. Per queste caratteristiche i proteinoidi sintetici assomigliano qualitativamente alle proteine attuali. Così partendo dal brodo di Darwin passando per i coacervati di Oparin e i proteinoidi di Fox, si giunge alle nuove ipotesi avanzate negli ultimi anni.Il progredire delle tecnologie e delle conoscenze non solo ha permesso di formulare nuove teorie, ma anche di compiere numerose osservazioni sperimentali che hanno dato nuovo vigore e interesse agli studi di questo problema. Se Arrhenius aveva postulato sin dal 1900 che la vita era arrivata sul nostro pianeta dagli spazi extraterrestri, le osservazioni sul contenuto di asteroidi giunti recentemente dallo spazio hanno riaperto la questione. Tracce di sostanze organiche e di organismi semplicissimi, rinvenuti in frammenti di meteoriti o di asteroidi, farebbero pensare che realmente le prime molecole organiche e i primi microrganismi siano giunti a colonizzare la terra da altri pianeti. Rimane comunque sempre aperto il problema di come queste molecole e questi microrganismi si siano originati su altri pianeti e di come siano riusciti ad attraversare lo spazio e a giungere indenni sino alla terra. Inoltre sono ancora accese le polemiche sulla possibilità che si tratti di contaminazioni, verificatesi al momento dell’impatto, con materiali e microrganismi presenti sul nostro pianeta e nella sua atmosfera. Le analisi condotte mediante sonde spaziali e spettrofotometri sul nucleo della cometa di Halley hanno dimostrato la presenza di polimeri di formaldeide e di poliossimetano (HCO).Gli studi più recenti effettuati utilizzando la sonda Giotto hanno rivelato che nel nucleo della cometa sono presenti particelle silicatosimili, insieme a granuli inorganici di composizione condritica, più elementi biogeni quali carbonio, ossigeno, idrogeno, e azoto, sia separati che uniti ad altri elementi inorganici. Anche ammettendo che questi elementi e questi composti possano essere pervenuti sul nostro pianeta in quantità tali da costituire le basi chimiche per l’evoluzione biotica, rimane il fatto che ancora non esiste una teoria unificante a parte la selezione naturale di eventi casuali, che spieghi l’evoluzione di composti organici in organismi capaci di metabolizzare e riprodursi.Su questo argomento negli ultimi anni si sono accumulate nuove ipotesi insieme a interessanti operazioni sperimentali. Studi di cosmologia fanno ritenere che le prime forme di vita sulla terra si sarebbero dovute confrontare con intense piogge di asteroidi – a vari intervalli di tempo e di durata media dai tre ai sei milioni di anni-che ne avrebbero distrutto strutture e funzioni.Questi dati implicherebbero che la vita deve essersi originata sul nostro pianta numerose volte (e comunque più di una volta) in maniera da ovviare alle ripetute distruzioni operate dalla caduta di asteroidi.
Un’altra recente ipotesi è che la vita si sia originata negli abissi marini con una particolare e peculiare localizzazione : a contatto di sorgenti idrotermali formate da afflussi di acqua caldissima (con temperature anche superiori ai 100° C), provenienti dal contatto con gli strati sottostanti ancora fluidi. Le alte temperature avrebbero favorito la polimerizzazione delle molecole organiche e lo svolgersi delle prime reazioni metaboliche(Cfr.bibl.nr.2).Dopo la scoperta di organismi poco evoluti (vermi tubicoli giganti (pogonofori) e crostacei ciechi)che attualmente vivono presso queste sorgenti di acqua nelle profondità del mare, la ricerca è volta a scoprire se questi siano i discendenti di organismi che hanno avuto origine in quegli ambienti o siano piuttosto organismi che si sono stabiliti in questi ambienti in tempi più recenti.Rimane comunque aperto il problema di come si sia passati dai primi composti organici molto semplici, che si sarebbero venuti originando per combinazione casuale di composti inorganici, alle proteine funzionali e al sistema informativo a base di acidi nucleici, che ne garantisce sintesi, riproduzione e conservazione di funzioni. Oggi si ritiene che i catalizzatori primitivi dei primi composti organici siano stati o le argille o gli ammassi di pirite. I cristalli di argilla sarebbero stati responsabili della catalisi di reazioni che avrebbero portato alla formazione di molecole di RNA.
Secondo alcuni, degli ipotetici Crystal Genes, cioè assetti molecolari regolari all’interno dell’argilla, avrebbero avuto la funzione di comportarsi da precursori dell’RNA.A questo proposito il chimico A.G. Cairns-Smith ha avanzato un’ipotesi sull’origine dei primi organismi viventi che si discosta da quelle attualmente più accreditate.Nel testo che raccoglie i risultati delle sue ricerche "Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life"(Cfr.bibl.nr.11) l’autore richiama l’attenzione sull’estrema complessità che caratterizza anche la più piccola unità costitutiva degli organismi viventi e di conseguenza ritiene impossibile e comunque altamente improbabile che i primi organismi siano stati simili, nella loro composizione chimica, agli attuali organismi viventi.E’ ipotesi generale che prima che esistessero organismi di un genere qualsiasi, cioè prima che vi fossero sistemi in grado di evolversi indefinitamente per selezione naturale, si svolse un altro tipo di evoluzione, una "evoluzione chimica", il cui effetto fu quello di costituire una scorta di tipi di molecole, una specie di corredo universale di" unità costruttive" (aminoacidi, zuccheri e così via), di cui sono costituiti gli organismi tuttora viventi sulla terra. Quest’idea mise radici negli anni 20, quando il biochimico russo, A.I.Oparin e il biologo britannico Haldane introdussero il concetto di "brodo primordiale" costituito da molecole organiche e presente negli oceani prima della comparsa della vita. Ebbene, secondo Oparin, questi composti organici hanno reagito tra loro a formare strutture di sempre maggiore complessità, sino a dare origine a una struttura che può essere chiamata vivente .Le teorie di Oparin (atmosfera riducente sulla terra primitiva, energia dei fulmini alla base delle prime reazioni di formazione di semplice sostanze organiche) vennero sostenute da diversi esperimenti (Miller, di Juan Oro), ma comunque si basavano sull’idea che le prime forme di vita fossero fatte di molecole analoghe a quelle presenti negli organismi attuali. Cairns -Smith confuta questa convinzione: in esperimenti realistici che simulano le probabili condizioni della terra primitiva, anche le molecole più semplici sono prodotte soltanto in piccole quantità. Rimane inoltre problematico sapere in che modo queste molecole organiche (amminoacidi, zuccheri) presenti nel brodo primordiale si siano potute separare e reagire tra loro, quando gli effetti normali dei processi geochimici consistono nel produrre miscugli organici sempre più alla rinfusa. Con molecole un poco più complesse queste difficoltà aumentano rapidamente. In particolare, un origine puramente geochimica dei nucleotidi (le subunità del DNA e dell’RNA) fa sorgere notevoli ostacoli: I nucleotidi non sono stati, comunque, ancora prodotti in esperimenti realistici del tipo di quelli che Miller ha effettuato. La biochimica che caratterizza gli organismi contemporanei, afferma l’autore, è da"alta tecnologia". I primi organismi non potevano essere così. Devono essere stati macchine da bassa tecnologia del tipo che viene montato piuttosto facilmente e per le quali esistono, più o meno in funzione, versioni semplici.
Tutti gli organismi contemporanei hanno un meccanismo molecolare simile e sofisticato, ma questo non implica che lo stesso meccanismo fosse caratteristico anche dei primi organismi. Ora, poiché la caratteristica essenziale degli organismi viventi è la loro capacità di duplicarsi, è stata fatta l’ipotesi che i primi viventi siano stati costituiti semplicemente da acido ribonucleico. Ragionando in questo senso si è ipotizzato che l’RNA fosse il materiale genetico originario, anche se in realtà, afferma l’autore ,questo ha una tecnologia troppo elevata. Sta di fatto, però, che le sue molecole, come si è dimostrato, sono in grado di duplicarsi in provetta. Tuttavia l’enzima che catalizza gli esprimenti con l’RNA è di gran lunga troppo complesso, perché si possa immaginare che sia un prodotto dei processi geochimici svoltisi sulla terra primitiva. Bisogna pensare, dunque, a un materiale genetico le cui unità siano più semplici di quelle del DNA o dell’RNA, a unità che la terra potrebbe aver prodotto costantemente per lunghi periodi di tempo.Non poteva esservi ,allora, la partecipazione di enzimi strutturalmente complessi; i componenti del primo materiale genetico dovevano auto-assemblarsi abbastanza semplicemente.Ora, poiché un gene non può mai essere un piccolissimo insieme di atomi (se deve contenere una significativa quantità di informazioni e se deve avere un potenziale evolutivo) e poiché deve essere un oggetto ben strutturato, Cairns –Smith, suppone che i primi materiali genetici fossero dei cristalli, e molto probabilmente , cristalli di argilla. Sono, infatti, i cristalli gli oggetti più comuni che nascono da una auto-associazione di atomi e molecole.L’analogia tra cristallizzazione e processi vitali fondamentali è stata spesso avanzata, ma è stata poi respinta, come troppo limitata.(Il fisico J.D.Bernal è andato ancora più in là sostenendo che : "la cristallizzazione è morte").Tuttavia l’autore afferma che dietro a questo tipo di obiezione vi sono due considerazioni sbagliate :1) le strutture cristalline sono monotone;2) il carbonio è l’elemento ottimale per la vita. La prima di esse, in realtà, non è pertinente perché si riferisce a cristalli "perfetti" che non esistono. E’ vero che un cristallo ha una struttura cristallina di base altamente ripetitiva, ma qualsiasi cristallo reale ha anche delle imperfezioni: un cristallo reale può accrescersi anche in maniera difettosa, le unità ripetitive possono variare (si possono verificare vuoti all’interno di un reticolo, sostituzione di unità individuali o di domini ecc.).Di conseguenza tutto ciò conferisce ai cristalli reali una potenziale capacità di informazione, una possibilità di variare e, dunque, di evolvere. Anche la seconda obiezione,secondo Cairns-Smith non è del tutto pertinente."Possiamo essere d’accordo – afferma l’autore –che le molecole organiche siano le migliori materie prime per la vita. Ma il meglio in assoluto è quello a cui dovrebbe arrivare l’evoluzione. Quello con cui invece l’evoluzione dovrebbe iniziare è il più semplice. La forma più semplice di auto assemblaggio è una cristallizzazione spontanea a partire da unità elementari, facilmente disponibili .Il che ci riporta all’argilla".
La varietà strutturale dei minerali argillosi è, inoltre, un fattore che favorisce l’ipotesi che essi fossero adatti come materiale costitutivo dei primi organismi .L’argilla deve aver rappresentato il substrato su cui ha agito l’evoluzione determinando la comparsa di molecole sempre più complesse, le quali sono poi diventate indipendenti dall’argilla stessa.Quest’ipotesi si basa su diverse considerazioni: alcune delle molecole più piccole (per esempio gli amminoacidi, gli acidi di- e tri-carbossilici) possono fungere da catalizzatori nella sintesi dell’argilla. Altre classi (per esempio le basi eterocicliche e i polifosfati) sono particolarmente portate ad aderire alle argille, spesso alterando le proprietà fisiche di un pasta argillosa. Le molecole organiche possono anche esercitare notevoli effetti sulla forma e sulla dimensione dei cristalli inorganici, inibendo la crescita di certe loro facce. Ciò potrebbe essere stato particolarmente importante per la duplicazione controllata dei geni cristallini. I polimeri organici potrebbero aver avuto degli effetti strutturali, per esempio quello di tenere unite tra loro le particelle dell’argilla. L’ipotesi avanzata da Cairns-Smith assegna ai precursori dell’RNA(comparsi in organismi ben sviluppati, fatti di argilla) una funzione strutturale. Un polimero tipo RNA,con la sua impalcatura di sostegno,dotata di cariche negative tenderebbe ad aderire ai bordi delle particelle d’argilla (che sono spesso dotate di carica positiva).D’altra parte le basi eterocicliche (molecole come l’adenina)hanno una tendenza ad aderire agli strati d’argilla, mantenendosi tra uno strato e l’altro. L’attuale meccanismo di controllo biochimico della duplicazione del materiale genetico è il risultato di un progressivo aumento delle potenzialità duplicative dell’RNA .L’RNA,infatti, avrebbe preso il sopravvento rendendo "l’impalcatura"di argilla inutile e, quindi, eliminabile.Ora, perché l’evoluzione passerebbe da ciò che è inorganico e cristallino a ciò che è organico e molecolare? Perché le strutture organiche possono essere costruite molto meglio (una volta che si disponga della tecnologia adatta), permettendo di realizzare un controllo più complesso.La questione veramente interessante, però, è sapere come le molecole alquanto più complicate possano essere state sintetizzate già molto tempo prima che esistessero gli enzimi.Secondo l’autore è possibile che gli stessi minerali argillosi abbiano funzionato da catalizzatori, fornendo per così dire , l’impalcatura su cui i vari composti organici poterono legarsi e in seno alla quale si sarebbe evoluto l’attuale meccanismo molecolare.
La teoria dell’RNA WORLD(Cfr.bibl.nr.5-10)