sabato 4 febbraio 2012

ORIGINE DELLA VITA. Il Caso: il secondo mito

Post n. 4

it.wikipedia.org.

Dall’antichità e fino al 1800 si credeva nella generazione spontanea. Cioè si pensava che la vita si originasse spontaneamente dalla materia inanimata. Luoghi preferiti per la generazione spontanea erano, in particolare, il fango e la materia organica in putrefazione. Furono le ricerche di Francesco Redi e di Lazzaro Spallanzani a mettere in dubbio tale credenza. Louis Pasteur assestò il colpo finale dimostrando sperimentalmente, intorno al 1860, che nelle attuali condizioni chimico-fisiche del nostro pianeta la vita può generarsi solo dalla vita.
Esclusa la generazione spontanea, come ha avuto origine la vita sul nostro pianeta?
Per più di mezzo secolo, dopo Pasteur, non ci fu grande interesse sul problema dell’origine della vita. La prima teoria sull’origine della vita dalla materia inanimata, come ampiamente illustrata nei precedenti articoli, risale intorno al 1930 ad opera di Oparin e Haldane ed è nota come: teoria del brodo prebiotico. In essa si ipotizza la formazione delle sostanze fondamentali per l’origine della vita nell’atmosfera e la loro raccolta in un primitivo oceano, brodo primordiale o prebiotico, dove si sarebbero formate molecole più complesse e da queste infine avrebbe avuto origine la vita.
L’ormai famoso esperimento di Miller, sembrò una conferma della teoria di Oparin-Haldane nel suo complesso e quindi anche del brodo prebiotico che, ancora oggi, rimane la teoria più accreditata. Purtroppo, dopo sessant’anni, malgrado il contributo di tanti ricercatori, la teoria del brodo prebiotico presenta un bilancio fallimentare.
Ma se la ricerca ha dato un esito negativo, come può aver avuto origine la vita nel brodo prebiotico?
Dopo aver analizzato se sono comparse prima le proteine o gli acidi nucleici, Paul Davis (Da dove viene la vita, 2000) scrive: «Tutte le teorie hanno in comune una medesima idea: una volta che la vita è nata, in qualunque forma, il resto è venuto quasi da sé, perché l’evoluzione darwiniana ha potuto prendere il via. Quindi è naturale che gli scienziati cerchino di ricorrere al darwinismo a partire dalla primissima fase della storia della vita: con il suo ingresso in campo, sono possibili enormi miglioramenti sospinti solo dalla forza trainante del caso e della selezione. Purtroppo, però, perché l’evoluzione darwiniana possa aver inizio è necessario un livello minimo di complessità. Come si è arrivati a questa complessità iniziale? Messi alle strette, la maggior parte degli scienziati si torce le mani e mormora la parola magica: il caso ».
La parola “caso”, ha però diversi significati e contiene perciò una trappola, che chiariremo più avanti. Nel contesto dell’origine della vita, i significati che si danno alla parola caso sono essenzialmente due.
1)  Il caso come evento fortuito, altamente improbabile, quasi un miracolo, esso può avvenire o non avvenire e se avviene sarà unico nel suo genere. Immaginiamo una persona che, stressata dal lavoro, decida di andare in vacanza e acquisti l’ultimo biglietto disponibile per un’isola dei Caraibi. Qui costretto dalle onde a passeggiare lontano dalla battigia, sprofonda in una buca e trova un tesoro nascosto dai pirati. È mai successo un caso del genere? Può avvenire o non avvenire, ma se si verifica sarà un evento fortuito, con le stesse modalità non si verificherà mai più.
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2) Il secondo significato è probabilistico quindi matematico, prima o poi si verificherà e anche più di una volta. Basta ricordare che la probabilità di azzeccare il tredici al totocalcio per un singolo giocatore è piccolissima, ma se i giocatori sono milioni, quasi ogni settimana ci sarà almeno un vincitore.
Ma quando è nata quest’idea del caso? E poi la vita può veramente aver avuto origine per caso?
A introdurre il concetto di casualità nell’origine della vita, sembra sia stato Leonard Thompson Troland, fisico e psicofisiologo americano, come riporta Iris Fly nel suo saggio (L’origine della vita sulla terra, 2002): «Si pensava che il gene si formasse d’improvviso, in conseguenza di un “primo evento” fortuito, altamente improbabile. Troland si occupò di questa situazione, sostenendo che nella grande estensione di tempo durante la quale poteva essere emersa la vita, persino un evento altamente improbabile sarebbe diventato possibile. Tutto quel che si richiedeva era la produzione di una singola molecola autocatalitica (Troland,1914: 105), una collisione fortunata di molecole, o un “caso fortunato”, per prendere a prestito un’espressione spesso usata in seguito».
Anche Haldane pensava che la vita avesse avuto un’origine casuale, ma con un approccio diverso. In “Origine della vita” (Bernal, Haldane, Pirie, Pringle 1952) afferma: «Mi si rimprovererà di aver introdotto il “caso”. Per “caso” intendiamo la parziale impossibilità di prevedere un evento. […]. Per principio non sono imprevedibili la maggior parte dei processi su larga scala, non è però possibile predire qualche fenomeno particolare se non affermando che un determinato evento ha una certa probabilità di verificarsi entro un tempo definito».
Dal 1953, anno dell’esperimento di Miller, fino al 1970 furono anni di intensa ricerca e forte entusiasmo, il “caso” fu quasi dimenticato. Ma con il fallimento della ricerca sperimentale nel brodo prebiotico esso risorge come un’araba Fenice.
Fu principalmente J. Monod, (Il caso e la necessità, 1970), non solo a reintrodurre il caso nell’origine della vita, ma a farne anche una filosofia dell’esistenza. Per Monod l’origine della vita sulla terra fu un evento unico e irripetibile. «L’universo non stava per partorire la vita, né la biosfera l’uomo. Il nostro numero è uscito alla roulette: perché dunque non dovremmo avvertire l’eccezionalità della nostra condizione […]».
Non mancarono critiche e consensi a questa visione. Nel 1980, l’origine della vita come evento fortuito, fu archiviato definitivamente dall’astronomo inglese Fred Hoyle, con una metafora diventata ormai un classico: «[...] la comparsa spontanea di un organismo unicellulare da una casuale combinazione di composti chimici è tanto probabile quanto il montaggio di un Boeing 747 per opera di un tornado che attraversi un deposito di rottami […]». Anche se c’è chi tenta ancora una soluzione ad hoc: dato un tempo sufficientemente lungo, anche eventi che sembrano miracolosi diventano possibili; ma nessuno crede più ad un evento unico e irripetibile.
Rimaneva però il significato probabilistico della parola “caso”.
Tra il 1950 e il 1980, dopo la scoperta della struttura del DNA da parte di Crick e Watson, si è compresa la complessità dei sistemi viventi. Il DNA risulta formato da decine di migliaia di geni e ognuno di essi codifica per una proteina. Qual è allora la probabilità che, in epoca prebiotica, si sia formata almeno una proteina o un gene di rilevanza biologica? Negli organismi attuali una proteina (enzima) è composta mediamente da 300 residui diversi dei 20 amminoacidi. Poiché ogni amminoacido è codificato da una tripletta di basi (tre nucleotidi), il corrispondente gene sarà composto da 900 nucleotidi. Con questi dati il numero delle proteine possibili corrisponde a 20300 e quello dei corrispondenti geni 4900 che tradotti in base 10 corrispondono rispettivamente a 10390 e 10540. Con questi numeri la probabilità, in epoca prebiotica, della formazione di macromolecole di importanza biologica è zero. Anche a voler ridurre i geni, in epoca prebiotica, a 300 nucleotidi, il numero di geni possibili risulta ancora enorme: 10180. Qualcuno propone di ridurre il numero di nucleotidi a 75, il numero degli acidi nucleici sarebbe allora 1044; un numero ancora troppo grande. Infine, bastano questi semplici calcoli per dimostrare che la probabilità, che nel brodo prebiotico si siano originati proteine o geni funzionali, è praticamente inesistente. Siamo ora in grado di chiarire la trappola della parola caso e lo facciamo con le parole di Mario Ageno (Le radici della Biologia, 1986): «Eventi di piccola o piccolissima probabilità realizzano in pratica un passaggio continuo dalla seconda alla prima categoria». Quindi, quando la probabilità di un evento è piccolissima, un evento probabilistico diventa anch’esso un evento fortuito, quasi un miracolo.
In definitiva chi insiste ancora con il calcolo delle probabilità per giustificare l’origine casuale della vita sta solo immaginando di costruirsi un Boeing con un tornado.
Intorno al 1980 inizia la teoria del Mondo a RNA, cioè si è pensato che la vita avesse avuto origine attraverso la sintesi di una molecola di RNA auto replicantesi e che questa, evolvendosi, abbia imparato a sintetizzare le proteine.

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Manfred Eigen è un sostenitore del Mondo a RNA, egli esclude il caso: «Il patrimonio genico che oggi si riscontra nei viventi non può essersi prodotto a caso come tirando ai dadi». (Gradini verso la vita, 1992) e spiega come questo processo abbia potuto compiere i primi passi verso l’origine della vita. Egli parte dall’idea che nel mondo prebiotico debba essere esistito un ambiente in cui era presente una popolazione di almeno 1010 molecole di acido nucleico autoreplicanti anche di piccole dimensioni (100-300 nucleotidi). Questi, attraverso la replicazione anche in presenza di enzimi rudimentali, hanno partecipato ad un processo di ottimizzazione funzionale, di selezione, fino a raggiungere dimensioni tali da dare origine a proteine funzionali. A sostegno delle sue idee Eigen sviluppa una simulazione matematica di un processo auto catalitico (iperciclo).
Ma come si sono prodotte le prime molecole capaci di autoriprodursi?
Eigen tenta di dare una risposta di tipo deterministico: nel mondo prebiotico dovevano esistere amminoacidi, ribosio e desossiribosio, basi azotate. Per l’origine degli amminoacidi evidenzia l’esperienza di Miller, mentre per l’origine degli altri composti dà risposte vaghe e insufficienti, citando anche esperimenti in ambiente non acquoso. Per l’asimmetria molecolare che si riscontra in tutti gli organismi, non dà risposte soddisfacenti se non richiamando fenomeni che sono stati già confermati ininfluenti. Immagina, inoltre, che nel brodo prebiotico dovevano essere presenti polipeptidi tipo proteinoide di Fox con deboli capacità catalitiche anche stereospecifiche (privilegiando quindi il predominio delle leggi della chimica) Alcuni di questi debbono essere stati capaci di sintetizzare molecole di RNA, anche se, essendo catalizzatori rudimentali, il tempo richiesto per tale sintesi deve essere stato elevato. Infine i Ribozimi potrebbero aver dato un loro contributo.
Come già evidenziato in precedenti articoli, anche nel mondo a RNA, tutti i grossi problemi della chimica prebiotica vengono passati sotto silenzio.
E allora si può solo concludere che sull’origine della vita non si sa niente. Il caso però non c’entra nulla, o forse sì?
A conclusione del capitolo dove tratta del mondo a RNA (opera già citata) Iris Fly precisa: «In conclusione, è opportuno un commento più generale. Tradizionalmente la concezione genetica fu associata all’assunto che la sintesi, altamente improbabile, di una singola sequenza autoreplicatrice fosse sufficiente per dare inizio all’emergere della vita.[…] Il ruolo assegnato agli eventi contingenti negli attuali scenari del mondo a RNA è ancora considerevole. La Kavanarioti, per esempio parla di processi di diversificazione, attivi all’interno della popolazione dei primi catalizzatori, che avrebbero condotto “non per selezione ma per caso” all’emergere di catalizzatori migliori».
Ma che tipo di caso? Si vuole simulare un tiro ai dadi, aspettando in realtà un tornado?
Chi si è sforzato di dare una risposta più esauriente alla comparsa delle prime molecole autoreplicanti è stato C. de Duve in un nuovo saggio, (Alle origini della vita, 2008). La struttura del saggio è molto interessante. Egli individua innanzitutto 7 singolarità, ma quelle che ci interessano sono principalmente la 1a “necessità deterministica”: «Secondo questa interpretazione le cose non sarebbero potute andare diversamente, date le condizioni chimico-fisiche esistenti» e la 5a, “accidente congelato”: «Qui la singolarità è dovuta alla decisione imposta dal puro caso fra due o più possibilità le quali non sono più tali una volta che si sia presa una decisione, e si sia quindi imboccata una strada senza ritorno». Partendo da alcune delle conoscenze attuali sulla biochimica della vita e analizzando i dati forniti dalla chimica prebiotica, C. De Duve tenta un grande sforzo congetturale nel tentativo di dare una risposta deterministica alla comparsa di un mondo a RNA e successivamente all’origine della vita.
Egli considera plausibile, come Eigen, la presenza nel brodo prebiotico di zuccheri, basi azotate,
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fosfati e si pone il problema della sintesi dei nucleotidi: «Questi fatti suggeriscono l’esistenza di un antico calderone in cui gli zuccheri interagivano con composti pirofosforici e con basi azotate per produrre una varietà di zucchero-fosfati, nucleosidi e derivati più complessi, fra cui l’ATP e suoi omologhi. Le sostanze che finirono per svolgere una funzione metabolica importante – in particolare per la sintesi dell’RNA – emersero da questo miscuglio per selezione, come ho già suggerito. L’identificazione delle condizioni nelle quali queste reazioni potrebbero aver avuto luogo col solo aiuto dei catalizzatori (multimeri?) disponibili prebioticamente, solleva uno dei problemi più difficili per le ricerche future». Si presenta però subito il problema della separazione dei nucleotidi funzionali: «Il miscuglio potrebbe concepibilmente avere contenuto altre basi con strutture appropriatamente complementari. Se così fu veramente, fu responsabile del loro rifiuto il caso o un qualche fattore nascosto? Secondo uno studio teorico recente, la scelta delle basi potrebbe non essere stata puramente accidentale ma potrebbe essere stata l’esito di un processo di selezione influenzato dalla resistenza all’errore». E per il ribosio: «La scelta del ribosio propone interrogativi simili. La scelta di questo zucchero rispetto ad altri fu fortuita o dovuta a qualche proprietà molecolare che avvantaggiò le molecole contenenti ribosio rispetto ad altre?». E sulla chiralità :«La scelta della chiralità potrebbe essere stata come abbiamo visto la conseguenza di un accidente congelato, o, alternativamente, di una qualche tendenza fisica». E sulla sintesi dell’RNA : «Se si riflette attentamente sul problema, la possibilità che l’RNA sia il prodotto di un caso fortunato, dotato della capacità di autoperpetuarsi, può essere rifiutato in quanto pone richieste assolutamente non plausibili al caso, soffocando al tempo stesso la ricerca. A meno che non si voglia invocare l’ipotesi altrettanto soffocante del disegno intelligente, si deve ripiegare sull’opinione che le condizioni prebiotiche furono tali da favorire la sintesi e la replicazione delle molecole di RNA attraverso processi chimici semplici. A prima vista, tuttavia, anche questa ipotesi sembra imporre uno sforzo troppo grande alla credibilità». Purtroppo di questi processi chimici semplici non c’è traccia e ciò che ci rimane è, infine, solo lo sforzo alla credibilità.
E allora si può solo concludere che sull’origine della vita non si sa niente. Il caso però non c’entra nulla, o forse sì?
La maggior parte degli scienziati è cosciente che la vita non può avere avuto origine per caso; ma il suo posto è stato preso da idee alquanto ipotetiche, spesso di poca credibilità, impossibile da verificare sperimentalmente e anche da troppi accidenti congelati.
Ma cosa rimane? O il “disegno intelligente” o il “caso”.
E allora? Meglio tirare un po’ di più la coperta e coprirsi sotto la teoria di Darwin. E così il caso, come l’araba Fenice, diventa un mito; per molti scienziati un’altra fortezza contro i fondamentalismi e tutti in attesa di un tornado che costruisca un Boeing.

                                                                                                   Giovanni Occhipinti

Chimica prebiotica ed origine della vita
http://www.lampidistampa.it/
http://www.ibs.it/
in libreria: ISBN 978-88-488-1097-5

6 commenti:

  1. Caro Giovanni, ricominciando la corrispondenza, ti vorrei chiedere: si sa almeno con certezza che sia nata prima la vita vegetale di quella animale?
    Grazie, un caro saluto, Luca.

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    1. Ciao Luca, i reperti fossili indicano che le prime cellule procariote comparvero sul nostro pianeta circa 3,5 miliardi di anni fa, mentre le cellule eucariote (dotate di nucleo e di organelli) soltanto 1,5 miliardi di anni fa.
      La cellula eucariote, di cui sono costituite tutti gli organismi superiori, è 10.000 più grande della cellula procariote. L’opinione più accreditata è che gli eucarioti hanno avuto origine per endosimbiosi. Cioè alcuni procarioti si sono evoluti aumentando di dimensioni e inglobando al loro interno procarioti più piccoli. È ormai accertato che i mitocondri, le macchine energetiche della cellula eucariote, erano in origine dei procarioti.Da queste cellule eucariote evolute ebbe origine la vita animale. Quando la cellula eucariote era già abbastanza evoluta si verificò un’altra endosimbiosi. Alcune cellule eucariote inglobarono altri procarioti (cianobatteri o alghe azzurre) da cui ebbero origine i cloroplasti, dove avviene la sintesi clorofilliana e da cui discendono la piante verdi. Alcuni fossili di 1,4 miliardi di anni fa sono molto simili alle alghe verdi attuali e quindi in quel periodo la separazione era già avvenuta. Il progenitore comune di piante e animali deve essere stato un eucariote evoluto vissuto circa 1,6 miliardi di anni fa.(più o meno di qualche centinaia di milioni di anni).
      Ciao Giovanni

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  2. Heilà, Giovanni. Mi sono accorto solo adesso che mi avevi risposto, non mi era arrivata la mail del messaggio. Ti ringrazio, come sempre, un caro saluto, Luca Garai.

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    1. Ciao Luca, quando ti ho risposto, stavo concludendo il post sul Progenitore universale e adesso mi accorgo che forse ti ho frainteso.
      I pesci sono comparsi 510 milioni di anni fa, le piante terrestri 400 milioni fa e gli anfibi 340 milioni di anni fa.
      Un caro saluto.

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    2. Mi fa piacere che hai trovato l'articolo interessante.
      Grazie e un caro saluto Giovanni

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