Abiogenesi - inizio della vita sulla terra
L’enigma dell’abiogenesi
di Michele Forastiere*
*insegnante di matematica e fisica in un liceo scientifico.
Il problema della nascita della vita dalla materia inanimata (la cosiddetta "abiogenesi") è sicuramente centrale nel dibattito sull’evoluzione. Sappiamo bene quanto facilmente questo argomento tenda a riscaldare gli animi nelle controversie sul darwinismo. D’altro canto – comunque la si pensi – è innegabile che la storia dei viventi sulla Terra deve essere cominciata in un momento ben preciso, prima del quale non esisteva che materia inanimata.
In primo luogo, occorre tenere presente che ogni attività svolta dagli organismi viventi comporta una lotta costante contro la tendenza della materia a decadere verso il disordine.
Detto in altri termini, la vita è un fenomeno "anti entropico".
Ciò è permesso dal Secondo Principio della Termodinamica, poiché la biosfera è un sistema che scambia energia con l’esterno. Come si sa, la fonte energetica primaria è il Sole, grazie al quale avviene la fotosintesi – che permette la crescita degli organismi autotrofi (le piante) – che costituiscono la fonte di energia biochimica per alcuni organismi eterotrofi (gli erbivori) – che sono il nutrimento di altri organismi eterotrofi (i predatori). Avrò semplificato un po’ troppo: però le cose vanno oggi più o meno così.
Ma cosa succedeva all’inizio della storia?
Molti studiosi ritengono che i primi viventi, comparsi qualcosa come tre miliardi e mezzo di anni fa, fossero eterotrofi. È però evidente che, se una parte di loro non si fosse molto presto avviata verso la fotosintesi, non sarebbe stata possibile l’evoluzione di organismi complessi (si sarebbero esaurite prima le risorse). Ciò nonostante, non vi era alcun vantaggio evolutivo immediato (nell’accezione darwiniana) nella comparsa sulla scena degli autotrofi. Come dire: se capita, capita; ma un salto del genere non è destinato ad accadere in virtù di qualche legge fondamentale. E il fatto che sia capitato è stato indubbiamente un gran bel colpo di fortuna.
Ma se non fosse stato quello il colpo di fortuna più grosso?
Proviamo a riflettere sul momento preciso della transizione da materia inanimata a vita. Non mi addentrerò nelle inesauribili polemiche che ruotano intorno lt al famigerato esperimento di Miller; diamo pure per scontata l’esistenza di un "brodo primordiale" traboccante delle molecole essenziali per la vita primitiva – lipidi, amminoacidi, nucleotidi. La prima cosa da osservare è che il processo di replicazione del DNA/RNA – presente anche nelle più semplici forme di vita – non è una reazione chimica spontanea, perché corrisponde a una diminuzione del disordine. In altri termini, l’avvio dell’evoluzione biologica richiede per forza l’esistenza di una "macchina" associata, cioè un processo in grado di diminuire l’entropia del sistema. Il problema dell’abiogenesi si riduce, dunque, all’individuazione del primitivo "motore" termodinamico che avrebbe dato il calcio d’inizio all’inesauribile catena di reazioni biochimiche che sostengono la vita.
Girando su Internet mi sono imbattuto nel video divulgativo prodotto da Jack W. Szostak, professore della "Harvard Medical School". Szostak ritiene di aver trovato il meccanismo all’origine dell’evoluzione biologica.
Il ragionamento seguito è grosso modo il seguente:
1) Nel "brodo primordiale" si formano spontaneamente microscopiche bolle formate da una pellicola di grasso (vescicole lipidiche) che permettono l’ingresso delle molecole piccole (nucleotidi isolati), ma non l’uscita delle molecole grandi (una doppia elica di nucleotidi in successione casuale, che definiamo "DNA/RNA casuale").
2) La riproduzione spontanea del "DNA/RNA casuale" avviene intorno alle fumarole sottomarine, dove si generano correnti circolari che permettono la rottura della doppia elica (nei punti in cui l’acqua è calda) e la sua successiva riproduzione (dove l’acqua è fredda).
3) Una vescicola grande tenderà a "risucchiare" le vescicole piccole, ingrandendosi; a un certo punto, poi, si frammenterà ripartendo il proprio "materiale genetico" tra le "vescicole figlie".
4) In questo modo verrà selezionato il "DNA/RNA casuale" che si ricombina più velocemente.
5) Analogamente, in seguito verrà selezionata qualsiasi mutazione casuale capace di accrescere l’efficienza di riproduzione e di "predazione" delle vescicole.
E, conclude Szostak, "Questo è tutto"! Secondo me, però, questo sarebbe tutto… se la faccenda fosse davvero così semplice. Il modello di Szostak, infatti, non ha niente a che vedere con alcun microorganismo reale, neanche nella più primitiva versione ipotizzabile. In effetti, Szostak non descrive affatto un plausibile "motore" molecolare interno per la duplicazione del DNA/RNA, bensì un gigantesco e inefficiente "motore" esterno! Provo a fare un paragone: diciamo che una cellula vivente equivale a un telefono cellulare.
Bene, in questa ottica il modello appena visto descriverebbe una locomotiva a vapore. È vero che i due oggetti hanno in comune alcuni principi fisici fondamentali; però nessuno si sognerebbe di affermare che un cellulare funziona più o meno come un treno a vapore, né che la costruzione del primo si deduce banalmente da quella del secondo.
Neanche Szostak, dunque, risolve il dilemma di partenza: come potrebbe essere comparso il "motore" biochimico primordiale, se non per puro caso?
Se di caso si deve parlare, allora, vale la pena di chiedersi se la nascita della vita possa essere stata davvero solo un evento fortunato, e di provare a calcolare quanta fortuna sia stata coinvolta in esso.
Un calcolo del genere ha senso, perché coinvolge solo processi chimici, che possono essere sottoposti ad analisi probabilistica. In realtà, c’è chi lo ha già fatto: e sembrerebbe che la fortuna occorrente sia veramente tanta – anche avendo a disposizione tutte le galassie dell’Universo e tutto il tempo trascorso dalla sua nascita.
Abbiamo esaminato in dettaglio le difficoltà insite in un certo tentativo di spiegazione riduzionistica della nascita della vita dalla materia inanimata. La probabilità dell’apparizione – imprevista e casuale – di un meccanismo di traduzione/replica doveva essere estremamente bassa.
Dimostrare quest’ultima affermazione.
A parte le risposte date da studiosi più o meno invisi al darwinismo (come Luciano Benassi ), penso che la dimostrazione migliore sia quella fornita dal biologo evolutivo Eugene Koonin. Egli osserva che perfino nei più semplici sistemi biologici moderni (i virus a RNA) il meccanismo di "copiatura" del codice genetico richiede l’azione di una proteina specifica formata da 300 amminoacidi. A sua volta, naturalmente, l’informazione relativa alla "fabbricazione" di questa proteina deve essere codificata da una catena di RNA. Ora, è noto che un singolo amminoacido è "memorizzato" da una serie di tre molecole appartenenti alla famiglia dei nucleotidi.
Dunque, una proteina formata da una sequenza di 300 amminoacidi viene "memorizzata" da una particolare catena di 900 nucleotidi. Koonin mette subito in evidenza due paradossi legati al problema dell’origine.
1) Per ottenere la minima complessità necessaria all’avvio dell’evoluzione biologica, si richiede la preesistenza di un meccanismo biochimico già notevolmente evoluto.
2) Il secondo riguarda la possibilità di pervenire al sistema di traduzione/replica mediante la selezione darwiniana: fino a che il complesso biochimico che effettua la traduzione dal DNA o RNA alle proteine non produce molecole funzionali, non esiste alcun vantaggio evolutivo che ne favorisca la selezione.
Provo a fare un paragone: facciamo finta che quella che segue sia la "parola" minima necessaria per far partire l’evoluzione: "NELMEZZODELCAMMINDINOSTRAVITAMIRITROVAIPERUNASELVAOSCURA". Diciamo che dobbiamo ottenere il nostro obiettivo lanciando moltissime volte un dado a 21 facce, su ognuna delle quali è impressa una lettera dell’alfabeto.
Bene, Koonin afferma in pratica che non ci potremo ritenere soddisfatti fino a che non otterremo esattamente la sequenza giusta, perché qualunque differenza – anche di un solo carattere – renderebbe la frase incomprensibile.
Riuscite a immaginare quanto sia improbabile infilare per caso la sequenza giusta? Bene, il nostro biologo evolutivo lo ha calcolato esattamente, ed è giunto alla conclusione che sarebbe veramente molto improbabile, anche avendo a disposizione miliardi di dadi e miliardi di anni di lanci. lt Su questo file PDF è possibile seguire l’intero procedimento di Koonin.
Alla fine dei calcoli Koonin stabilisce che sarebbe praticamente certa – da qualche parte e in qualche epoca dell’Universo – la comparsa di una catena di RNA con n =102. È come dire che sarebbe relativamente facile – avendo a disposizione miliardi di anni e miliardi di pianeti su cui lanciare i dadi – concatenare per caso la "parola": "NELMEZZODELCAMMINDINOSTRAVITAMIRIT". Purtroppo, secondo Koonin il sistema minimo non potrebbe essere costituito da meno di 1800 nucleotidi. Il guaio è che, in tal caso, sarebbe richiesta una quantità di risorse probabilistiche ben 10 elevato alla 1018-sima volte superiore a quella disponibile (faccio notare che solo per leggere questo numero dobbiamo ripetere 113 volte la parola "miliardi")! Avendo a disposizione un solo Universo, non avrei difficoltà a definire questa eventualità decisamente impossibile.
Come ho avuto modo di discutere in "Evoluzionismo e cosmologia" (Edizioni Cantagalli 2011), tale osservazione porta Koonin a sostenere l’esistenza di infiniti universi (il cosiddetto multiverso). D’altra parte, quali alternative rimangono in mano a uno scienziato (ultradarwinista o meno) che non voglia accettare il multiverso? Non molte, credo. Forse rimane solo una possibilità: che l’avvio dell’evoluzione biologica dipenda da un qualche meccanismo molecolare tuttora sconosciuto ma molto semplice, tanto da poter comparire facilmente nel "brodo primordiale": insomma, un vero e proprio nano-robot molecolare. Bene, non credo che valga la pena di considerare come scientifica un’idea del genere, al momento nient’altro che un indimostrato mito tecnologico. E dunque? Penso proprio che possiamo tranquillamente concludere con questa semplice osservazione: nonostante i proclami, l’abiogenesi rimane ancora oggi un enigma irrisolto.
l’abiogenesi non è un dato. Fino ad alcuni anni fa, quando le scienze naturali erano più legate alle osservazioni che alle teorie, la biologia aveva come principio, derivato dagli esperimenti di Spallanzani e di Pasteur, l’affermazione opposta che la vita nasce solo dalla vita. Nessuna nuova evidenza è intervenuta nel frattempo a smentire quel principio. Neanche di una sola proteina omochirale si è prodotta la sintesi spontanea, quando il batterio più semplice (un parassita) consiste di 40.000 proteine di 600 tipi diversi, accompagnate dal solito seguito di DNA, RNA, membrana cellulare, domini di coerenza dell’acqua, plasmi elettronici, ecc., necessari alla sintesi proteica, alla divisione cellulare e alla ri-creazione continua d’ordine nelle reazioni chimiche. L’abiogenesi è una congettura, cioè un’ipotesi sul tavolo di lavoro, buttata lì per necessità, per giunta non ancora formalizzata dopo un secolo di tentativi ed anzi indeterminata tra una mezza dozzina di modelli diversi, appena abbozzati.
L’abiogenesi è un’ipotesi chimico-fisica, non biologica. Tutti i modelli esistenti condividono infatti solo l’assunto che – prima che la vita apparisse sulla Terra – una molecola auto-replicante si sarebbe formata spontaneamente, per le leggi della fisica e della chimica applicate in adeguate condizioni ambientali. Le forme più antiche e relativamente meno complesse di vita, a noi risultanti dai fossili, sono le alghe azzurre ed alcuni batteri: si tratta di procarioti, cellule dove il DNA è una molecola circolare sparsa nel citoplasma, senza una membrana che la divida dal resto della cellula, ma queste cellule primigenie sono comunque strutture funzionalmente organizzate in milioni di molecole e di componenti atomiche e subatomiche. Inoltre nella vita dei procarioti, e in maggiori quantità e complessità in quella degli organismi superiori, sono presenti caratteristiche come l’omeostasi, il codice genetico, il macchinario molecolare e il campo elettromagnetico organico, a garantire le funzioni vitali necessarie alla crescita e alla duplicazione dell’organismo, a partire dalla localizzazione e metabolizzazione delle materie prime selezionate dall’ambiente. Nei modelli di abiogenesi invece, la sola caratteristica donde tutte le altre poi si vorrebbero far derivare non si sa come è la riproduzione.
C’è un salto enorme in termini di complessità tra il primo ipotizzato replicatore stante in una molecola, e la più semplice, autonoma forma di vita già presente 3,6 miliardi di anni fa, la cellula di un procariote, consistente in un’organizzazione di alcuni milioni di molecole e di plasmi elettronici coerenti, tutti cooperanti in un pacchetto di funzioni organiche. L’abiogenesi non è dunque l’acquisita dimostrazione della nascita della forma meno complessa di vita terrestre dagli elementi chimici, ma piuttosto l’ipotesi minimale e astratta di una sintesi fisico-chimica spontanea mai osservata, "intermedia" tra il mondo inorganico e un procariote.
E lasciamo ad un brillante professore di logica l’onore di proclamare in CS ai non darwinisti che "sull’origine della vita [sic!] esistono decine [sic!] di teorie plausibili [sic!]", la cui scelta ci sarebbe resa imbarazzante solo dalla nostra forzata assenza ad un evento deciso "dal caso [sic!]"; il lieto proclama essendo intervenuto ad appena 10 ore dall’onere lt di confessare tristemente ai darwinisti, ancora da parte dello stesso logico, ancora in CS, "che l’origine della vita […] rimane uno dei problemi (per ora) non risolti per la scienza".
L’evento sarebbe accaduto nella finestra di circa 200 milioni di anni tra la fine dell’intenso bombardamento meteoritico (LHB) e la comparsa della prima cellula. È evidente che la futuribile comprensione di come in una prima frazione della finestra, da un "brodo" chimico informe, si sia sintetizzato un replicatore monomolecolare sarà solo un primo, infinitesimo passo per capire come il replicatore si sarebbe potuto evolvere poi, nella seconda frazione dello stesso lasso temporale, in una cellula strutturata in miriadi di molecole chimiche e di particelle fisiche cooperanti nell’attenzionalità della vita reale, procariotica.
Nel suo "Gene egoista" (1976), Dawkins prospetta pacificamente che "nella Terra primordiale, ad un certo punto, per caso [ancora la paroletta magica di coloro che non sanno, ma così affermano di sapere!], si formò una molecola particolarmente notevole […] non necessariamente più grossa o più complessa di altre, ma con la straordinaria capacità di creare copie di se stessa". Con queste parole però, Dawkins si pone contro tutta la fisica e la chimica note, perché ogni dato e conoscenza empirici ci portano a predire che l’ipotizzata molecola replicante, con una tale "straordinaria capacità" di riprodursi, debba essere "necessariamente più grossa e più complessa" di tutte quelle che conosciamo…, tant’è che in cent’anni non siamo stati neanche in grado d’immaginarne la chimica! E a chi cita l’esistenza di alcuni software capaci di "copiarsi", va ricordato che tali programmi non sono affatto riproduttori autonomi di sé, ma tutt’al più architetture di software e hardware in grado di riprodurre una (minima) porzione del loro software. In quei programmi infatti, il software esiste e gira solo in "scatole" di materia e di energia (l’hardware + una fonte di energia elettrica), accuratamente progettate da ingegneri umani e che non sono mai replicate nella copiatura del software!
Senza contare il sistema operativo, i driver, i compilatori, le interfacce, i middleware, ecc., altrettanto mai replicati.
Se poi l’evoluzione biologica di specie in specie è effettivamente avvenuta (e, a meno d’invocare l’intervento diretto del soprannaturale, non esistono alternative né all’abiogenesi, né all’evoluzione trans-specifica), la determinazione del meccanismo fisico-chimico che avrebbe evoluto la molecola replicante in una prima cellula procariote non è certo, a sua volta, una sfida maggiore di capire come la seconda abbia richiesto un tempo 10 volte superiore per evolversi in una cellula eucariote, e questa negli organismi pluricellulari, ecc., ecc.
dal sito uccronline.it