Panspermia
Ipotesi e teorie sull’origine della vita
La posizione tradizionale della teologia e di alcune filosofie vede l’origine della vita come il risultato di un evento soprannaturale che è permanentemente oltre i poteri descrittivi della chimica e della fisica. Nella sua forma più generale, questa visione non è necessariamente in contraddizione con le conoscenze scientifiche contemporanee sull’evoluzione prebiotica, anche se le descrizioni bibliche della creazione date nei primi due capitoli della Genesi, prese alla lettera e non metaforicamente, sono incoerenti con le conoscenze moderne.
Fino alla metà del XVII secolo, l’opinione prevalente era che Dio creò l’uomo insieme ad animali e piante superiori, ma che forme di vita semplici come vermi e insetti sorgono costantemente da fango, rifiuti e materia putrefatta durante brevi periodi di tempo. Il fisiologo William Harvey (1578-1657), che studiò la riproduzione e lo sviluppo dei cervi, fu il primo a sfidare questa visione postulando che ogni animale deriva da un uovo (“omnia viva ex ovo”) molto tempo prima che Karl-Ernst von Baer (1792-1876) scoprisse l’esistenza di cellule uovo umane al microscopio. Uno scienziato italiano, Francesco Redi (1626-1698), trovò che l’idea di Harvey era vera, almeno per gli insetti; trovò che le larve nella carne nascono da uova di mosca. Più tardi, Lazzaro Spallanzani (1729-1799) scoprì che gli spermatozoi erano necessari per la riproduzione dei mammiferi. Prima di Pasteur, Spallanzani dimostrò anche che la materia vivente (“infusori”) non ha origine dai fluidi bolliti tenuti in contenitori chiusi. Anche se le scoperte di Redi e Spallanzani provarono definitivamente che gli insetti e gli animali più grandi si sviluppano dalle uova, rimase ovvio per una grande maggioranza che almeno i microrganismi, a causa della loro ubiquità, si generano continuamente da materiale inorganico. Il dibattito se la vita sia generata spontaneamente da materia non vivente o meno culminò nella famosa controversia tra Louis Pasteur e Félix-Archimède Pouchet (1800-1872) che Pasteur vinse trionfalmente. Egli dimostrò che anche i microrganismi nei fluidi provengono da germi che galleggiano nell’aria, e dimostrò anche che le soluzioni nutritive potevano essere protette da queste creature con una sterilizzazione adeguata come la filtrazione o la bollitura. Tuttavia, gli scienziati contemporanei non erano soddisfatti degli esperimenti di Pasteur perché rimaneva una questione delicata: Se gli organismi viventi non nascono dalla materia non vivente, come era nata la vita in primo luogo?
Nella fine del XIX secolo, un’altra ipotesi fu avviata dal chimico svedese Svante Arrhenius (1859-1927). Egli credeva fortemente che l’intero universo si rifornisse di germi viventi, un fenomeno che chiamò “panspermia”. Suggerì che i microrganismi e le spore di origine cosmica si diffondessero da un sistema solare all’altro, arrivando così sulla Terra. Anche se la visione di Arrhenius evita piuttosto che risolvere il problema dell’origine della vita, e nonostante l’estrema improbabilità che i microrganismi sopravvivano agli effetti interstellari di freddo, vuoto e radiazioni, alcuni membri della comunità scientifica del ventesimo secolo sono tornati all’idea della panspermia. Tra questi scienziati ci sono l’astronomo Fred Hoyle (1915-) e il biologo molecolare Francis Crick (1916-), che sono convinti che il lasso di tempo tra l’origine della Terra e la comparsa dei primi organismi cellulari su questo pianeta sia stato troppo breve perché la vita si sia verificata spontaneamente.
La teoria di Darwin della “selezione naturale come forza motrice dell’evoluzione” ha portato a una nuova visione sul fenomeno della vita che è ancora valida. Anche se Darwin non si impegnò sull’origine della vita, scienziati contemporanei come Thomas Huxley (1825-1895) estesero la sua idea, affermando che la vita potrebbe essere generata da sostanze chimiche inorganiche. Seguendo questa opinione, Alexander Oparin (1894-1980) fu il più influente sostenitore dell’origine successiva degli organismi cellulari dalla materia non vivente. Sospettava che questa transizione fosse proceduta da una serie di reazioni chimiche regolari e progressive nelle condizioni fisiche e chimiche della Terra primitiva. Insieme a John Scott Haldane (1860-1936), Oparin riconobbe che la produzione abiologica di molecole organiche nell’attuale atmosfera ossidante della Terra è altamente improbabile. Invece, entrambi suggerirono che l’inizio della vita avvenne in acque calde primordiali in condizioni più riducenti (cioè, ricche di idrogeno). Inoltre, Oparin ha postulato l’esistenza di coacervati pre-cellulari – unità globulari con strutture superficiali simili a membrane – che possono avere alte concentrazioni di certi composti chimici. I coacervati infatti si formano spontaneamente da soluzioni acquose colloidali di due o più composti macromolecolari.
Tuttavia, molti problemi fondamentali sulla transizione dalla materia non vivente a quella vivente sono rimasti irrisolti. La questione centrale riguardava il ruolo della seconda legge della termodinamica, che definisce l’equilibrio in un sistema isolato come uno stato di massima entropia che sembra contraddire l’origine e l’esistenza di organismi viventi altamente ordinati. Erwin Schrödinger (1887-1961) ha dato una risposta decisiva a questa domanda, affermando che “la materia vivente evita il decadimento all’equilibrio” o la morte compensando costantemente la produzione di entropia. In qualsiasi organismo, questo si ottiene alimentando energia libera o materia ricca di energia che viene utilizzata dal macchinario cellulare per guidare le reazioni chimiche essenziali. Schrödinger e altri si resero conto che gli organismi viventi possono essere termodinamicamente descritti come sistemi aperti, ma non potevano spiegare le condizioni fisiche generali per i processi di auto-ordinamento. Queste furono percepite da Ilja Prigogine (1917-) e Paul Glansdorff (1904-1999), che lavorarono su una teoria termodinamica dei processi irreversibili. Secondo Prigogine, la selezione e l’evoluzione non possono avvenire in sistemi di reazione equilibrati o quasi equilibrati, anche se sono presenti i giusti tipi di sostanze. Invece, certe combinazioni di reazioni autocatalitiche con processi di trasporto possono portare a particolari distribuzioni spaziali di partner di reazione, chiamate “strutture dissipative”. Queste strutture ordinate sono importanti per la formazione dell’ordine funzionale nell’evoluzione della vita, specialmente per la morfogenesi iniziale. Tuttavia, i primi passi dell’auto-organizzazione hanno probabilmente coinvolto poca organizzazione nello spazio fisico, ma un ampio ordinamento funzionale di una varietà tremendamente complessa di composti chimici. Manfred Eigen (1927-) ha spiegato il processo di ordinamento tra le molecole aumentando il principio di Prigogine-Glansdorff con considerazioni fenomenologiche sul comportamento delle molecole auto-replicanti: Una certa quantità si avvicina ad un valore massimo in ogni sistema aperto che si replica autocataliticamente con sufficiente fedeltà, e quindi consuma continuamente energia e materia. Questa quantità è chiamata “informazione” ed è strettamente legata all'”entropia negativa” postulata da Schrödinger. Oltre a porre le basi per un’interpretazione molecolare dell’informazione biologica, Eigen ha sviluppato i modelli matematici per descrivere la “selezione”. Secondo la teoria di Eigen, la selezione è il principio naturale fondamentale che porta ordine in qualsiasi disposizione casuale di specie replicanti autocataliticamente. Con la selezione, l’informazione viene generata successivamente, portando ad una costante ottimizzazione delle specie, che possono essere sia organismi che molecole.
I modelli matematici sviluppati da Eigen sostengono un’ipotesi dettagliata dell’origine della vita che comprende passi multipli e successivi per la transizione dalla materia inorganica a quella vivente. Tuttavia, va detto che alcuni scienziati hanno teorie sull’emergenza della vita che differiscono dalla teoria di Eigen. Tra questi c’è Stuart Kauffman (1939-), che crede che la selezione naturale sia importante ma non l’unico principio ordinatore del mondo biologico. Invece, egli considera l’auto-organizzazione spontanea come la fonte predominante dell’ordine naturale. Kauffman ha dimostrato che insiemi di reazioni autocatalitiche interrelate possono subire una transizione verso un nuovo stato ordinato (cioè, auto-organizzato) non appena la loro connettività raggiunge un certo valore di soglia. Inoltre, Kauffman sottolinea che il fenomeno dell’autocatalisi, che gioca il ruolo centrale nella sua teoria, non è limitato agli acidi nucleici. Pertanto, egli conclude che anche i geni non erano necessari per l’origine della vita. In contrasto con Kauffman, Eigen distingue l’attività “casuale” autocatalitica o autoreplicante che si osserva per una varietà di specie molecolari dagli acidi nucleici “intrinsecamente” autoreplicanti. La capacità intrinseca di autoreplicazione, a sua volta, rappresenta la base molecolare della selezione naturale secondo la teoria di Eigen.
Esperimenti ben definiti sono stati inventati per simulare i principi che sono stati postulati per l’evoluzione molecolare. Con certe configurazioni sperimentali, la replicazione e la selezione possono essere eseguite in una provetta. Allo stesso modo, le condizioni chimiche della Terra primordiale possono essere imitate in laboratorio. Diversi scienziati hanno tentato di verificare sperimentalmente le idee del ventesimo secolo sulla biogenesi. I loro esperimenti sono discussi nella sezione seguente.