Evoluzione prebiologica

Le macromolecole biologiche prodotte devono organizzarsi all'interno di strutture delimitate, dotate di attività metabolica e autoriproduzione, per lo svolgimento delle attività vitali.

Non esistono ancora sufficienti prove per stabilire quale sia stata la prima struttura organica a formarsi tra:

1. Attività metabolica, secondo cui ci sarebbero comparse prima le funzioni metaboliche autocatalitiche e da queste, in un secondo momento, la replicazione (Mondo a ferro-zolfo).
2. Compartimentazione, cioè si sarebbero formate prima le membrane biologiche che separano l'ambiente interno - coacervati o microsfere - dove più facilmente possono avvenire le attività metaboliche (Mondo a coacervati).
3. Acidi nucleici, secondo la visione di un Mondo a RNA, per cui la replicazione avviene prima della presenza di membrane e di attività metabolica.

Il metabolismo

Un organismo per essere definito vivente, deve essere dotato di metabolismo, cioè l'insieme di reazioni che richiedono o rilasciano energia per trasformare i composti assimilati in altri o per ricavare energia.

Ogni passaggio delle reazioni metaboliche richiede un catalizzatore.

Probabilmente, nelle prime fasi erano gli ioni metallici presenti nel brodo primordiale ad abbassare l'energia di attivazione per lo svolgimento delle reazioni, soprattutto l'assemblaggio dei monomeri per formare le macromolecole biologiche.

I costituenti di base possono anche aver aderito strettamente alle superfici di pirite, formando la cosiddetta pizza primordiale, che facilitava le reazioni di condensazione delle molecole implicate nel metabolismo e successivamente di quelle in grado di autoriprodursi. Le reazioni redox dei solfuri hanno liberato l'energia necessaria per la sintesi di peptidi e poi di proteine a partire dalla produzione di acido acetico → acido piruvico → amminoacidi, in bolle lipidiche sopra le piriti. Le prime catene polipeptidiche così prodotte, probabilmente erano già dotate di una qualche forma di attività catalitica e, col tempo, divennero gli enzimi necessari alle reazioni biologiche.
In questo Mondo a ferro e zolfo il metabolismo sarebbe comparso dunque prima della formazione delle membrane e dell'apparato genetico autoreplicante. Alcuni ricercatori, infatti, sostengono che qualsiasi molecola replicante con una struttura simile all'RNA sarebbe stata così grande e complessa che le possibilità che si formi spontaneamente doveva essere estremamente ridotta. Quando la superficie minerale è stata ricoperta da uno strato continuo di fosfolipidi, questi avrebbero potuto originare microsfere al cui interno avrebbero potuto concentrarsi i polipeptidi, e poi le molecole in grado di conservare l'informazione ereditaria.

Una terza via è quella dall'argilla, come abbiamo visto nella pagina precedente. L'argilla, che contiene ferro e zinco funzionanti da catalizzatori, attira piccole molecole organiche provocando la polimerizzazione. In questo caso non sono necessarie le membrane biologiche.

Le membrane biologiche

Una volta che le macromolecole sono prodotte, devono essere tenute separate dall'ambiente circostante. Per alcuni studiosi la compartimentazione è comparsa prima del metabolismo, perché indispensabile per lo sviluppo di alcune reazioni e, inoltre, ha un'azione protettiva.
Sono stati proposti due modelli per la comparsa di una membrana di separazione: i coacervati di Oparin e le microsfere di Fox, ai quali si aggiungono i liposomi.

I coacervati di Oparin

Oparin aveva osservato che due o più polimeri carichi (proteici, glucidici o lipidici) in soluzione acquosa tendono a formare spontaneamente delle goccioline. Una emulsione di solo olio è poco stabile ma se è sostituita da una miscela di gelatina (composta principalmente da proteine) e gomma arabica (composta da proteine e carboidrati) si ottiene una sospensione molto più stabile di goccioline costituite da una pseudomembrana monostratificata di proteine, polisaccaridi e/o lipidi, circondata da una pellicola di molecole d'acqua, che separa l'ambiente interno dall'esterno.

(Crediti foto coacervati: Spruijtlab - CC BY-SA 4.0)

Queste goccioline, chiamate coacervati, del diametro di 1 - 100 μm, potrebbero essere i precursori della membrana cellulare. Essi sono in grado di selezionare sostanze in entrata - catalizzatori non specifici e substrati - e in uscita, di avere una primitiva forma di metabolismo e, inoltre, in un ambiente circoscritto le reazioni possono avvenire più facilmente. Ad esempio, se mettiamo in una soluzione di glucosio-1-fosfato dei coacervati contenenti l'enzima glicogeno fosforilasi, essi adsorbono il glucosio e lo convertono in un polimero simile all'amido, liberando fosfato (disegno sotto). L'amido poi si fonde con la parete dei coacervati, che aumentano di dimensioni e alla fine si dividono in due.

Queste strutture, da Oparin definite protobionti quando le macromolecole hanno acquisito un confine di separazione, appartengono alla fase chiamata da Oparin evoluzione prebiologica.
Formatisi nell'oceano primordiale, i coacervati si sarebbero fusi con altri, perché le molecole - alcune dotate di carica opposta - si sarebbero attratti reciprocamente e contemporaneamente avrebbero richiamato molecole d'acqua sulla loro superficie. Dopo un certo limite di dimensioni si sarebbero divisi in nuove bolle e potrebbero essere stati sottoposti e favoriti da una protoselezione naturale soltanto quelli capaci di autosintesi e quindi di accrescersi fino a portare a sistemi complessi, dinamici e stabili (Mondo a coacervati) e poi alla vita.

Le microsfere di Fox

Un'altra importante esperienza è quella proposta dal biochimico americano Sidney Walter Fox (1912 - 1998), pubblicata nel 1957.
Egli era convinto che la polimerizzazione fosse più probabile sulla terraferma che in acqua perciò, supponendo che la superficie terrestre fosse inizialmente calda, mise una miscela di amminoacidi su una piastra metallica a temperature comprese tra 130 e 175 °C. Lasciati raffreddare lentamente in appropriate condizioni di pH e salinità, davano luogo alla polimerizzazione, con formazione di lunghe catene di proteinoidi, così chiamati perché erano presenti legami tra i radicali -R degli aminoacidi. Quando venivano dilavati, le catene si associavano in microsfere proteinoidi a due strati, del diametro di 2 μm, con la porzione polare idrofila orientata verso la fase acquosa e la parte idrofoba tra i due strati (analogamente alle moderne membrane fosfolipidiche) in grado di assorbire alcune sostanze dall'esterno come una membrana semipermeabile, mostravano una debole azione enzimatica - per esempio decomponevano il glucosio - ed erano in grado di dividersi.

(Crediti foto microsfere: Paul A. LaViolette - foto di Sydney Fox)

L'esperimento voleva simulare quanto poteva essere accaduto dopo la formazione del brodo primordiale. Le maree potrebbero avere spinto sulla roccia calda gli amminoacidi a formare la pizza primordiale. Dopo la rapida evaporazione dell'acqua, avrebbero potuto assemblarsi in catene. Altre ondate avrebbero restituito i nuovi composti al mare.

Il problema è che non è detto che tutte le rocce fossero calde, anche se ciò poteva verificarsi nei pressi di aree vulcaniche. Inoltre, c'era la necessità di avere un'alta concentrazione di amminoacidi da polimerizzare e le temperature elevate tendono a distruggere le molecole prodotte.

Mondo a liposomi

Poiché le membrane cellulari attuali sono costituite principalmente da fosfolipidi, si deve supporre che ci sia stata una terza possibilità per la formazione di tali membrane.
All'inizio degli anni '60, il biofisico Alec Douglas Bangham (1921 - 2010) notò che quando estraeva i lipidi dai tuorli d'uovo e li metteva in acqua, i lipidi si organizzavano spontaneamente in bolle a doppio strato, più o meno delle dimensioni di una cellula, che lasciavano passare al loro interno alcune piccole molecole biologiche, essendo selettivamente permeabili. Queste strutture, chiamate liposomi, sono formate da un doppio strato di fosfolipidi che circonda un compartimento acquoso, e potrebbero essere state il primo confine cellulare.

Forse i liposomi potrebbero avere inglobato molecole che avevano capacità enzimatiche, sostanze in grado di catturare l'energia e immagazzinarla sotto forma di gradiente elettrico e persino molecole replicative recuperate dalla superficie delle argille. I liposomi avrebbero protetto le molecole dall'ambiente circostante e le avrebbero concentrate in modo che potessero reagire ed evolversi rapidamente ed efficientemente. L'argilla può catalizzare la formazione di liposomi che crescono e si dividono, in una forma primitiva di autoreplicazione.
Questo Mondo a liposomi, poco citato nei manuali, appartiene all'ipotesi: "prima le membrane", il che significa che la prima cellula doveva avere una membrana plasmatica prima di qualsiasi altra sua parte.

Molecole autoriproducenti

Se le esperienze descritte sopra spiegano come si può essere formato un sistema di membrane che racchiude le molecole necessarie alla vita, rimane ancora un importante aspetto da spiegare: come si riproducono queste strutture?

Oggi la riproduzione è garantita da un duplice sistema di acidi nucleici che contengono l'informazione per produrre le proteine e di proteine che funzionano da catalizzatori duplicando il DNA e che non possono essere prodotte senza di esso. L'uno senza l'altro non può funzionare. I virus, infatti, che sono privi di proteine, devono necessariamente ricorrere alla cellula ospite. Quale è comparso prima?
Il problema fu risolto quando nel 1981 Thomas Robert Cech (1947) individuò una molecola di RNA codificante le informazioni che era in grado di svolgere anche la funzione catalitica: il ribozima.
Si può allora supporre che le prime molecole di RNA fossero in grado di replicarsi senza la necessità degli enzimi proteici, come già avevano proposto nel 1967 Francis Crick e Leslie Orgel. Nel 1986 il premio nobel per la chimica Walter Gilbert (1932) adoperò la locuzione Mondo a RNA per descrivere la fase in cui le forme viventi a RNA sono in grado di replicarsi usando enzimi a RNA prima che le proteine iniziassero le loro funzioni biologiche.
L'RNA potrebbe essere comparso spontaneamente attraverso reazioni prebiotiche, oppure grazie alla capacità catalitica delle argille, che sono state in grado di assemblare piccoli tratti di RNA. Un filamento precursore degli attuali ribozimi capace di realizzare da solo l'appaiamento di basi complementari, con la sua attività catalitica avrebbe formato il suo complementare, seguito dalla separazione dei due filamenti e la ripetizione del processo. Quando la sequenza dei nucleotidi di RNA ha determinato la sequenza degli amminoacidi, qualche polipeptide potrebbe avere funzionato da catalizzatore enzimatico, favorendo la duplicazione della molecola di RNA. Infine, alcune proteine, dotate di attività di polimerasi maggiore di quella dei ribozimi, per selezione naturale si sarebbero affermate sul precedente processo enzimatico.

Non mancano punti critici su questa ipotesi, come la facile degradabilità dell'RNA dai raggi ultravioletti, il fatto che in laboratorio non si sono ancora ottenuti alcuni nucleotidi e che dal brodo primordiale la produzione di acidi nucleici è molto più bassa rispetto a quella degli amminoacidi.
Per ovviare a questi problemi, alcuni scienziati hanno ipotizzato che prima dell'RNA ci siano stati dei precursori di acidi nucleici diversi sia dal DNA, sia dall'RNA.

Il ribozima hammerhead ha una regione (in rosso) deputata all'ingresso di un filamento di RNA, che viene così ad essere tagliato

Tutte le attuali forme viventi, ma anche quelle più antiche, tuttavia, sono basate sul DNA. Data la somiglianza dei due acidi nucleici, probabilmente è intervenuta una modifica che ha portato a una diversificazione e specializzazione: il DNA, più stabile e meno reattivo, conserva l'informazione mentre l'RNA ha aumentato le sue proprietà catalitiche funzionando da trasduttore dell'informazione, perciò i primi protobionti a RNA e con sistemi biochimici relativamente semplici, si sono poi evoluti in forme più complesse, in grado di sintetizzare proteine, per divenire infine strutture con genomi a DNA.

Erano dunque allora disponibili due tipi di molecole genetiche, una membrana che separava l'ambiente interno da quello esterno e dell'attività metabolica.
Solo quando, però, gli acidi nucleici, potenziali sistemi di autoreplicazione, acquisirono la capacità di dirigere l'attività chimica, integrandosi con i primi sistemi enzimatici si ebbe il primo vivente capace di riprodursi.

Non sappiamo ancora però l'origine del codice genetico e cioè come sia nata la corrispondenza tra codoni e amminoacidi. Ci potrebbe essere una naturale affinità stereochimica tra i due e perciò è inevitabile l'attuale struttura, oppure nasce per tentativi ed errori e la selezione avrebbe favorito alla fine il sistema più efficiente. Al momento non ci sono conferme per l'una o l'altra ipotesi.