La vita nel “Precambriano” (breve excursus)

L'esobiologia, ossia lo studio della vita al di fuori della Terra, è una disciplina che sta vivendo un momento molto particolare. Da una parte, tutte le congetture che si possono fare sulla vita nella Terra portano alla conclusione che la vita basata sul carbonio deve essere molto comune nell'universo, almeno a livello unicellulare. Cosa può avere il nostro pianeta di diverso dai miliardi di pianeti simili nelle altre galassie? Forse siamo nello stesso momento in cui si trovavano gli studi sui pianeti extrasolari negli anni Settanta: tutti sapevano che dovevano esserci, ma nessuno era mai riuscito ad avere conferma sperimentale anche di uno solo. Un giorno forse le nostre capacità osservative saranno talmente avanzate non solo da darci un'osservazione diretta dei pianeti extrasolari, ma anche di farci vedere le tracce inequivocabili del metabolismo di organismi biologici. Se il nostro pianeta non ha nulla di diverso dagli altri pianeti "terrestri", possiamo prendere il nostro pianeta come esempio di tutti gli altri.

9 Gennaio 2018

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Ricostruzione pittorica di forme di vita pluricellulari dell'Ediacarano (CC BY-SA 3.0 Ghedoghedo).

Dopo aver visto il c.d. “Precambriano” da un punto di vista geologico, eccovi un primo excursus dal punto di vista paleobiologico. Dico subito che mi vergogno delle fonti, solo sulle ipotesi biochimiche dell’abiogenesi la letteratura è sterminata. Una cosa penso sia plausibile: che per il c.d. “principio di mediocrità” applicato alla nostra storia evolutiva, se una vita basata sul carbonio è nata qui in tempi tutto sommato rapidi, deve essere nata una vita a base carbonio anche in altri luoghi. Poi, come è successo per i pianeti del nostro sistema, anche per la vita c’è stata sicuramente un’evoluzione “storica” nel senso di una sequenza irripetibile di possibilità realizzate rispetto alle eventualità possibili.

La datazione delle prime forme di vita

Una costante degli studi sull’origine della vita è stata il continuo spostamento all’indietro dell’epoca in cui si sarebbero presentate le prime forme viventi. Questa constatazione fa pensare che la nascita della vita, almeno nelle sue forme più semplici, sia un processo biochimico molto diffuso nell’Universo. Se lo sviluppo della vita pluricellulare e magari intelligente (almeno nel senso modestamente empirico dello sviluppo di un “sistema nervoso” e di un “cervello” in grado di interagire in modo diciamo “creativo” con l’ambiente circostante) vede verosimilmente l’accumularsi di circostanze “storiche” e perciò una restrizione del numero di casi presenti, la vita unicellulare deve essere a rigor di logica molto diffusa. Il principio cosmologico [1], secondo il quale l’Universo è omogeneo ed isotropo su una scala opportunamente grande e perciò le leggi fisiche sono le stesse in ogni punto dell’Universo, implica necessariamente che le stesse leggi debbano aver portato alle stesse conseguenze in luoghi dove le condizioni di partenza erano le stesse.

L’evoluzione biochimica che ha portato alla vita è, tanto per cambiare, regno di ipotesi [2]. Senza tentare un excursus storico, si può dire che di origine della vita in modo serio si poté parlare dopo la scoperta del DNA [3] da parte di James Watson [4] e Francis Crick [5] nel 1953 e l’esperimento, nel 1952, di Stanley Miller e Harold Urey [6] che, attraverso il russo Alexander Oparin [7], riprendeva idee che risalivano addirittura a Charles Darwin [8].

L'esperimento di Miller ed Urey — Schema dell’esperimento di Stanley Miller ed Harold Urey del 1952 (CC BY-SA 2.0 Henrykus via WikiCommons).

Si può empiricamente parlare di “vita” di fronte ad un sistema biochimico in grado di autosostentarsi ed autoreplicarsi. Questo implica la presenza di un sistema metabolico e di un sistema genetico. Le ipotesi sulla c.d. “abiogenesi”, a partire dal modello più diffuso, quello del c.d. “mondo ad RNA” sono molto complesse: qui invece vogliamo concludere tentando una cronologia dello sviluppo della vita sulla Terra.

Quarzite da Jack Hills — Metaconglomerato di quarzite dalle Jack Hills australiane, risalenti all’Arheano tra i 3.050 e i 2.650 Myr (CC BY-SA James St. John via Flickr).

Adeano. Di una cosa almeno si è sicuri: che nel Caotiano le condizioni per l’apparire della vita non esistevano. Soprattutto, è impossibile che la vita sia apparsa prima della fine della “convalescenza” dal cataclisma che ha creato la Luna. Con il raffreddamento della crosta terrestre, la comparsa degli oceani e un’atmosfera ricca di composti chimici organici si poté creare il famosissimo “brodo primordiale”, dove si ebbe la prima evoluzione biochimica [9]. La vita si sviluppa ed inizia ad evolvere esclusivamente nelle acque. Si è ipotizzato che l’evoluzione prebiotica sia iniziata già nello Zirconiano. Lo studio dei zirconi delle Jack Hills australiane suggeriscono che la Terra adeana sia stata molto più simile ad oggi di quanto si possa intuitivamente immaginare, con tanto di oceani, continenti e placche tettoniche [10]. I sedimenti adeani della Groenlandia appartengono al gruppo dei banded iron beds (letteralmente “orizzonti ferriferi a bande”). Queste rocce sono costituite da alternanze di orizzonti ricchi in ferro ossidato (ematite) alternati a letti di selce e argilla. Alcune argilliti presentano un’evidente ossidazione e una struttura a bande che ricorda vagamente le stromatoliti attuali, e contengono composti organici elementari del carbonio. Questi indizi hanno portato alcuni autori ad ipotizzare la presenza di cianobatteri fotosintetici al termine dell’Adeano [11]. Nel 2017 è stata annunciata la scoperta di microorganismi fossili nelle sorgenti idrotermali della Nuvvuagittuq Belt in Quebec, Canada. Questi sono stati datati a 4.280 Myr, vale a dire che sarebbero i microfossili più antichi conosciuti. Secondo alcuni, gli oceani terrestri si sarebbero formati a circa 4.410 Myr.

Archeano. Tradizionalmente, l’inizio della vita sulla Terra si poneva all’inizio dell’eone Archeano. In effetti, le prime forme di vita sicuramente documentate risalgono proprio all’Archeano. Nella prima era di quest’eone, l’Eoarcheano (4.000-3.600 Myr), si ritiene siano comparsi i primi organismi monocellulari, gli antenati degli attuali procarioti [12] Archaea, privi di nucleo cellulare contenente il DNA. Probabilmente alcuni giacimenti carboniferi in Groenlandia, risalenti a 3.800 Myr, sono di origine organica. Esistono infatti prove dell’esistenza di organismi che sfruttavano la fotosintesi almeno 3,8 miliardi di anni fa.

Cianobatteri al microscopio, con filtro ottico verde (CC-BY-SA 3.0 Josef Reischig via WikiCommons).

Durante il Paleoarcheano (3.600-3.200 Myr) sarebbe probabile la presenza di batteri fotosintetici, anche se ancora di tipo anossico (batteri autotrofi) [13]. Si ritiene che le prime presenze batteriche ben conservate – ritrovate in alcune rocce dell’Australia nordoccidentale – risalgano a 3.460 Myr. Gli stromatoliti iniziarono a formarsi 3.500 Myr; anche se è ancora dibattuto se alcuni dei reperti più antichi siano effettivamente di origine microbica, a questa data risalgono le prime testimonianze fossili dirette, indiscusse ed indiscutibili, di forme di vita sulla Terra.

Durante il Mesoarcheano (3.200-2.800 Myr) si ebbe la prima glaciazione, avvenuta circa a 2.900 Myr, ed è stata avanzata l’ipotesi che sia stata causata da una destabilizzazione del clima legata al metabolismo dei primi microorganismi. Alcuni fossili ritrovati in Australia indicano che le stromatoliti erano frequenti sulla terra durante l’era Mesoarcheana.

Durante il Neoarcheano (2.800-2.500 Myr) i cianobatteri [14] migliorarono il meccanismo della fotosintesi che portò alla produzione, come sottoprodotto, dell’ossigeno. Il nuovo gas così liberato cominciò a reagire con tutti i composti in grado di subire una reazione ossidativa, modificando la costituzione rocciosa della crosta terrestre. Successivamente, il progressivo accumulo di ossigeno non reagito nell’atmosfera risultò dapprima tossico e infine letale per le forme di vita anossica che si erano sviluppate fino a quel momento in un’atmosfera ricca di metano e anidride carbonica. Tale evento, noto come la catastrofe dell’ossigeno, portò all’estinzione di tutte le forme di vita anossica nel periodo Sideriano.

Stromatolite fossile proveniente dal Wyoming, USA (CC BY-SA 2.0 James St. John).

I cianobatteri sono all’origine delle prime consistenti evidenze fossili di vita, le stromatoliti. Si tratta di depositi di carbonato di calcio sotto forma di laminazioni alternate; le lamine scure sono dovute alla precipitazione di carbonato causata dall’attività batterica, mentre le lamine chiare sono formate da sedimento carbonatico fine intrappolato dalle “alghe” batteriche [15].

Proterozoico. Il Proterozoico [16] è l’eone durante il quale prese piede la vita sulla Terra. Ciò non vuol dire che non sia stato senza eventi catastrofici.

Cianobatteri in acqua — Infiorescenza (biofilm) di cyanobacteria al porto del Quai du Wault di Lilla. Gli antenati di quelli che oggi sono un grave problema ecologico ci hanno permesso di respirare (CC-BY-SA 3.0 Lamiot via WikiCommons).

All’inizio del Paleoproterozoico (2.500-1.600 Myr) [17] l’ossigeno si accumulò nell’atmosfera, causando la prima estinzione di massa dovuta a cause biotiche: i cianobatteri “sterminarono” con il loro ossigeno i “nativi” archeobatteri anaerobi. I primi eucarioti [18], cioè i primi organismi viventi costituiti da cellule dotate di nucleo, cominciarono a svilupparsi in questo periodo [19]: probabilmente gli eucarioti si trovarono ad essere le uniche forme viventi in grado di occupare gli ambienti lasciati liberi dai vecchi procarioti estinti. Infatti la comparsa dei primi eucarioti conosciuti, i fossili del gruppo francevilliano [20], coincide approssimativamente con l’inizio dell’accumulo di ossigeno libero. Un’altra causa potrebbe essere però l’aumento dei nitrati ossidati che gli eucarioti usano, al contrario dei cianobatteri, nel loro metabolismo. Comunque sia, l’avvento degli eucarioti fu una pietra miliare nell’evoluzione della vita.

Il Mesoproterozoico (1.600-1.000 Myr) [21] fu l’era in cui l’evoluzione biologica “inventò” qualcosa senza la quale la stampa e la TV odierne non riuscirebbero a sopravvivere: la riproduzione sessuata. Il copyright del “sesso” spetta agli eucarioti, e rese possibile a questi lo sviluppo dei primi organismi pluricellulari complessi. Gli eucarioti non erano in competizione con i cianobatteri: le stromatoliti raggiunsero la loro massima diffusione durante il Proterozoico, toccando il loro vertice circa 1200 milioni di anni fa.

Stromatoliti sulla costa dell’Hamelin Pool Marine Nature Reserve, Shark Bay, Australia occidentale(CC 3.0 Paul Harrison via WikiCommons).

Neoproterozoico (1.000-541 Myr) [22]. Iniziano qui a svilupparsi i primissimi macro-organismi pluricellulari, tra cui vermi e spugne. Dopo il difficile periodo Cryogeniano, durante l’Ediacarano [23] si ebbe una prima diffusione della vita pluricellulare, che anticipò la successiva “esplosione cambriana”. Alla fine del Proterozoico inizia l’eone attuale, il Fanerozoico [24], l’eone della vita pluricellulare.