Come la prima vita sulla Terra è sopravvissuta alla sua più grande minaccia: l’acqua

Il 18 febbraio del prossimo anno, una navicella spaziale della NASA precipiterà nell’atmosfera marziana, sparerà i suoi retro-razzi per interrompere la caduta e poi farà scendere sulla superficie un rover a sei ruote chiamato Perseverance. Se tutto va secondo i piani, la missione atterrerà nel cratere Jezero, uno squarcio largo 45 chilometri vicino all’equatore del pianeta che un tempo potrebbe aver ospitato un lago di acqua liquida.

Tra le folle di terrestri che acclamano Perseverance, John Sutherland presterà particolare attenzione. Sutherland, un biochimico del MRC Laboratory of Molecular Biology di Cambridge, Regno Unito, è stato uno degli scienziati che ha fatto pressione sulla NASA per visitare il cratere Jezero, perché si adatta alle sue idee su dove la vita potrebbe aver avuto origine – su Marte e sulla Terra.

La scelta del sito di atterraggio riflette un cambiamento nel pensiero sui passaggi chimici che hanno trasformato alcune molecole nelle prime cellule biologiche. Anche se molti scienziati hanno a lungo ipotizzato che quelle cellule pionieristiche siano nate nell’oceano, ricerche recenti suggeriscono che le molecole chiave della vita, e i suoi processi fondamentali, possono formarsi solo in luoghi come Jezero – un corpo d’acqua relativamente poco profondo alimentato da ruscelli.

Questo perché diversi studi suggeriscono che le sostanze chimiche di base della vita richiedono la radiazione ultravioletta della luce solare per formarsi, e che l’ambiente acquoso doveva diventare altamente concentrato o addirittura asciugarsi completamente a volte. In esperimenti di laboratorio, Sutherland e altri scienziati hanno prodotto DNA, proteine e altri componenti fondamentali delle cellule riscaldando delicatamente semplici sostanze chimiche a base di carbonio, sottoponendole a radiazioni UV e asciugandole a intermittenza. I chimici non sono ancora stati in grado di sintetizzare una così vasta gamma di molecole biologiche in condizioni che imitano l’acqua di mare.

Le prove emergenti hanno portato molti ricercatori ad abbandonare l’idea che la vita sia emersa negli oceani e a concentrarsi invece sugli ambienti terrestri, in luoghi che erano alternativamente umidi e asciutti. Lo spostamento è difficilmente unanime, ma gli scienziati che sostengono l’idea di un inizio terrestre dicono che offre una soluzione a un paradosso riconosciuto da tempo: che sebbene l’acqua sia essenziale per la vita, è anche distruttiva per i componenti fondamentali della vita.

Laghi e pozzanghere superficiali sono molto promettenti, dice David Catling, uno scienziato planetario presso l’Università di Washington a Seattle. “C’è un sacco di lavoro che è stato fatto negli ultimi 15 anni che sosterrebbe questa direzione.”

Suddivisione primordiale

Anche se non c’è una definizione standardizzata di vita, la maggior parte dei ricercatori concorda che ha bisogno di diversi componenti. Uno è costituito da molecole portatrici di informazioni – DNA, RNA o altro. Ci deve essere stato un modo per copiare queste istruzioni molecolari, anche se il processo sarebbe stato imperfetto per consentire errori, i semi del cambiamento evolutivo. Inoltre, i primi organismi devono aver avuto un modo per nutrirsi e mantenersi, forse usando enzimi a base di proteine. Infine, qualcosa teneva insieme queste parti disparate, tenendole separate dal loro ambiente.

Quando la ricerca di laboratorio sulle origini della vita è iniziata seriamente negli anni ’50, molti ricercatori hanno ipotizzato che la vita sia iniziata nel mare, con una ricca miscela di sostanze chimiche a base di carbonio soprannominata il brodo primordiale.

Questa idea fu proposta indipendentemente negli anni ’20 dal biochimico Alexander Oparin, in quella che allora era l’Unione Sovietica, e dal genetista J. B. S. Haldane nel Regno Unito. Ognuno di loro immaginava la giovane Terra come un’enorme fabbrica chimica, con moltitudini di sostanze chimiche a base di carbonio dissolte nelle acque dei primi oceani. Oparin ragionava sul fatto che si formavano particelle sempre più complicate, che culminavano nei carboidrati e nelle proteine: quello che lui chiamava “il fondamento della vita”.

Nel 1953, un giovane ricercatore di nome Stanley Miller dell’Università di Chicago nell’Illinois descrisse un esperimento ormai famoso che fu visto come una conferma di queste idee1. Usò un pallone di vetro contenente acqua per simulare l’oceano, e un altro pallone contenente metano, ammoniaca e idrogeno per simulare la prima atmosfera. Dei tubi collegavano le beute e un elettrodo simulava un fulmine. Pochi giorni di riscaldamento e scosse elettriche sono stati sufficienti per fare la glicina, l’amminoacido più semplice e un componente essenziale delle proteine. Questo suggerì a molti ricercatori che la vita era nata vicino alla superficie dell’oceano.

Ma molti scienziati oggi dicono che c’è un problema fondamentale con questa idea: le molecole cardine della vita si rompono in acqua. Questo perché le proteine, e gli acidi nucleici come il DNA e l’RNA, sono vulnerabili nelle loro articolazioni. Le proteine sono fatte di catene di amminoacidi, e gli acidi nucleici sono catene di nucleotidi. Se le catene vengono messe in acqua, questa attacca i legami e alla fine li rompe. Nella chimica del carbonio, “l’acqua è un nemico da escludere il più rigorosamente possibile”, ha scritto il defunto biochimico Robert Shapiro nel suo totemico libro del 1986 Origins, che criticava l’ipotesi dell’oceano primordiale2.

Questo è il paradosso dell’acqua. Oggi le cellule lo risolvono limitando il libero movimento dell’acqua al loro interno, dice la biologa sintetica Kate Adamala dell’Università del Minnesota a Minneapolis. Per questo motivo, le immagini popolari del citoplasma – la sostanza all’interno della cellula – sono spesso sbagliate. “Ci viene insegnato che il citoplasma è solo una borsa che contiene tutto, e tutto nuota intorno”, aggiunge. “Questo non è vero, tutto è incredibilmente impalcatura nelle cellule, ed è impalcata in un gel, non un sacchetto d’acqua.”

Se gli esseri viventi tengono l’acqua sotto controllo, allora l’implicazione, dicono molti ricercatori, è ovvia. La vita probabilmente si è formata sulla terraferma, dove l’acqua era presente solo a intermittenza.

Inizio dalla terraferma

Alcune delle prove chiave a favore di questa idea sono emerse nel 2009, quando Sutherland ha annunciato che lui e il suo team erano riusciti a creare due dei quattro nucleotidi che compongono l’RNA3. Hanno iniziato con fosfato e quattro semplici sostanze chimiche a base di carbonio, tra cui un sale di cianuro chiamato cianamide. Le sostanze chimiche erano disciolte in acqua per tutto il tempo, ma erano altamente concentrate, e i passaggi cruciali richiedevano radiazioni UV. Tali reazioni non potrebbero avvenire in profondità in un oceano – solo in una piccola piscina o in un ruscello esposto alla luce del sole, dove le sostanze chimiche potrebbero essere concentrate, dice.

Il team di Sutherland ha poi dimostrato che le stesse sostanze chimiche starter, se trattate in modo sottilmente diverso, possono anche produrre precursori di proteine e lipidi4. I ricercatori suggeriscono che queste reazioni potrebbero aver avuto luogo se l’acqua contenente sali di cianuro è stata asciugata dal sole, lasciando uno strato di sostanze chimiche secche e legate al cianuro che è stato poi riscaldato da, diciamo, attività geotermica. L’anno scorso, il suo team ha prodotto gli elementi costitutivi del DNA – qualcosa di precedentemente ritenuto implausibile – usando l’energia della luce solare e alcune delle stesse sostanze chimiche ad alte concentrazioni5.

Questo approccio è stato esteso dalla biochimica Moran Frenkel-Pinter presso il NSF-NASA Center for Chemical Evolution di Atlanta, Georgia, e dai suoi colleghi. L’anno scorso, hanno dimostrato che gli aminoacidi si legavano spontaneamente per formare catene proteiche se venivano essiccati6. E questi tipi di reazione avevano più probabilità di verificarsi con i 20 aminoacidi che si trovano nelle proteine oggi, rispetto ad altri aminoacidi. Ciò significa che l’essiccazione intermittente potrebbe aiutare a spiegare perché la vita usa solo questi aminoacidi, su centinaia di possibilità. “Abbiamo visto la selezione per gli aminoacidi di oggi”, dice Frenkel-Pinter.

Bagnato e asciutto

L’essiccazione intermittente può anche aiutare a guidare questi blocchi molecolari ad assemblarsi in strutture più complesse, simili alla vita.

Un esperimento classico su questa linea è stato pubblicato nel 1982 dai ricercatori David Deamer e Gail Barchfeld, allora all’Università della California, Davis7. Il loro obiettivo era quello di studiare come i lipidi, un’altra classe di molecole a catena lunga, si auto-organizzano per formare le membrane che circondano le cellule. Per prima cosa hanno creato delle vescicole: blob sferici con un nucleo acquoso circondato da due strati lipidici. Poi i ricercatori hanno asciugato le vescicole, e i lipidi si sono riorganizzati in una struttura multistrato come una pila di frittelle. I filamenti di DNA, che prima galleggiavano nell’acqua, sono rimasti intrappolati tra gli strati. Quando i ricercatori hanno aggiunto nuovamente acqua, le vescicole si sono riformate – con il DNA al loro interno. Questo è stato un passo verso una cellula semplice.

“Questi cicli umido-asciutto sono ovunque”, dice Deamer, che ora è alla University of California, Santa Cruz. “È semplice come l’acqua piovana che evapora sulle rocce bagnate”. Ma quando vengono applicati a sostanze chimiche biologiche come i lipidi, dice, accadono cose notevoli.

In uno studio del 2008, Deamer e il suo team hanno mescolato nucleotidi e lipidi con acqua, poi li hanno messi attraverso cicli bagnato-asciutto. Quando i lipidi hanno formato degli strati, i nucleotidi si sono legati in catene simili all’RNA – una reazione che non sarebbe avvenuta in acqua senza l’aiuto di qualcuno8.

Altri studi stanno indicando un fattore diverso che sembra essere una parte fondamentale delle origini della vita: la luce. Questa è una delle conclusioni del team del biologo sintetico Jack Szostak del Massachusetts General Hospital di Boston, che lavora con le “protocellule” – versioni semplici di cellule che contengono una manciata di sostanze chimiche, ma possono crescere, competere e replicarsi. Le protocellule mostrano comportamenti più simili alla vita se sono esposte a condizioni simili a quelle della terraferma. Uno studio, di cui Adamala era coautore, ha scoperto che le protocellule possono usare l’energia della luce per dividersi, in una semplice forma di riproduzione9. Allo stesso modo, Claudia Bonfio, ora anche al MRC Laboratory of Molecular Biology, e i suoi colleghi hanno dimostrato nel 2017 che la radiazione UV guida la sintesi di cluster ferro-zolfo10, che sono cruciali per molte proteine. Queste includono quelle della catena di trasporto degli elettroni, che aiuta ad alimentare tutte le cellule viventi guidando la sintesi della molecola accumulatrice di energia ATP. I cluster ferro-zolfo si romperebbero se fossero esposti all’acqua, ma il team di Bonfio ha scoperto che erano più stabili se i cluster erano circondati da semplici peptidi lunghi 3-12 aminoacidi.

Acqua, ma non troppa

Tali studi hanno dato slancio all’idea che la vita sia iniziata su una superficie ben illuminata con una quantità limitata di acqua. Tuttavia, c’è ancora un dibattito su quanta acqua fosse coinvolta, e quale ruolo abbia giocato nell’inizio della vita.

Come Deamer, Frenkel-Pinter sostiene che i cicli umido-asciutto erano cruciali. Le condizioni di siccità, dice, hanno fornito un’opportunità per la formazione di molecole a catena come le proteine e l’RNA.

Ma la semplice produzione di RNA e altre molecole non è vita. Deve formarsi un sistema dinamico e autosufficiente. Frenkel-Pinter suggerisce che la distruttività dell’acqua potrebbe aver contribuito a questo. Proprio come gli animali da preda si sono evoluti per correre più velocemente o secernere tossine per sopravvivere ai predatori, le prime molecole biologiche potrebbero essersi evolute per far fronte agli attacchi chimici dell’acqua – e anche per sfruttare la sua reattività per il bene.

Quest’anno, il team di Frenkel-Pinter ha dato seguito al suo precedente studio6 che mostrava che l’essiccazione causava il collegamento spontaneo degli aminoacidi. Il team ha scoperto che le loro proto-proteine potevano interagire con l’RNA, e che entrambi diventavano più stabili in acqua come risultato11. In effetti, l’acqua agiva come una pressione di selezione: solo quelle combinazioni di molecole che potevano sopravvivere in acqua sarebbero continuate, perché le altre sarebbero state distrutte.

L’idea è che, ad ogni ciclo di bagnatura, le molecole più deboli, o quelle che non potevano proteggersi legandosi ad altre, venivano distrutte. Bonfio e il suo team lo hanno dimostrato in uno studio di quest’anno12, in cui hanno tentato di convertire semplici acidi grassi in lipidi più complessi che assomigliano a quelli che si trovano nelle moderne membrane cellulari. I ricercatori hanno creato miscele di lipidi e hanno scoperto che quelli semplici venivano distrutti dall’acqua, mentre quelli più grandi e complessi si accumulavano. “Ad un certo punto, si avrebbe abbastanza di questi lipidi per formare membrane”, dice. In altre parole, potrebbe esserci una quantità d’acqua Goldilocks: non così tanta da distruggere troppo velocemente le molecole biologiche, ma non così poca da non cambiare nulla.

Piccoli stagni caldi

Dove potrebbe essere successo tutto questo? Su questo punto, c’è una divisione generazionale nel campo. Molti ricercatori anziani sono impegnati in uno scenario o nell’altro, mentre i ricercatori più giovani spesso sostengono che la questione è molto aperta.

L’oceano aperto non è fattibile, dice Frenkel-Pinter, perché non c’è modo che le sostanze chimiche si concentrino. “Questo è davvero un problema”, concorda Bonfio.

Un’idea marina alternativa è stata sostenuta fin dagli anni ’80 dal geologo Michael Russell, un ricercatore indipendente già al Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, California. Russell sostiene che la vita ha avuto inizio nelle bocchette sul fondo del mare, dove l’acqua calda alcalina sale dalle formazioni geologiche sottostanti. Le interazioni tra l’acqua calda e le rocce fornirebbero energia chimica che in un primo momento guiderebbe semplici cicli metabolici, che in seguito inizierebbero a produrre e utilizzare sostanze chimiche come l’RNA.

Russell è critico dell’approccio di Sutherland. “Sta facendo tutti questi fantastici pezzi di chimica”, dice, ma per Russell, nessuno di essi è rilevante. Questo perché gli organismi moderni usano processi chimici completamente diversi per fare sostanze come l’RNA. Egli sostiene che questi processi devono essere sorti per primi, non le sostanze stesse. “La vita sceglie molecole molto particolari. Ma non può sceglierle dal banco. Devi crearle da zero ed è quello che fa la vita”

Sutherland sostiene che una volta che l’RNA, le proteine e così via si sono formati, l’evoluzione avrebbe preso il sopravvento e permesso ai proto-organismi di trovare nuovi modi per fare queste molecole e quindi sostenersi.

Nel frattempo, molti ricercatori hanno espresso scetticismo sull’ipotesi della ventola alcalina di Russell, sostenendo che manca di supporto sperimentale.

Al contrario, gli esperimenti chimici che simulano le condizioni di superficie hanno fatto i mattoni di acidi nucleici, proteine e lipidi. “Nessuna di queste sintesi esiste nell’ipotesi della bocchetta idrotermale di profondità. Semplicemente non è stata fatta, e forse perché non può essere fatta”, dice Catling.

Frenkel-Pinter è anche critica nei confronti dell’idea dello sfiato, perché le molecole con cui lavora non sopravviverebbero a lungo in quelle condizioni. “La formazione di questi protopeptidi non è molto compatibile con le bocche idrotermali”, dice Frenkel-Pinter.

Una possibile soluzione è stata proposta a maggio dalla geochimica Martina Preiner, un postdoc all’Università di Düsseldorf in Germania, e dai suoi colleghi. Lei sostiene che nelle rocce sotto le bocche idrotermali, il calore e le reazioni chimiche legano le molecole d’acqua o le spezzano – creando spazi asciutti13. “Ci sono interazioni roccia-acqua che liberano l’acqua in una certa misura”, dice. Ad intermittenza, più acqua di mare entrerebbe, dando “qualcosa come un ciclo bagnato-asciutto”. Questo dovrebbe rendere le rocce di mare profondo molto più adatte alla formazione di molecole chiave, sostiene Preiner, anche se riconosce che questa è ancora un’ipotesi. “Naturalmente, bisogna ancora fare gli esperimenti per dimostrare che questo potrebbe fare certe reazioni”

Al momento, però, queste prove non esistono. Nel frattempo, il supporto sperimentale sta crescendo per l’idea che la vita sia iniziata in piccoli corpi d’acqua sulla terraferma.

Sutherland favorisce un cratere da impatto meteoritico, riscaldato dal Sole e dall’energia residua dell’impatto, con molteplici flussi d’acqua che scendono lungo i lati in pendenza, e infine si incontrano in una piscina sul fondo. Questo sarebbe stato un ambiente complesso e tridimensionale con superfici minerali che fungevano da catalizzatori, dove le sostanze chimiche a base di carbonio potevano essere alternativamente dissolte nell’acqua ed essiccate al sole. “Si può dire con un certo grado di sicurezza che dobbiamo essere in superficie, non possiamo essere nelle profondità dell’oceano o a 10 chilometri nella crosta”, dice Sutherland. “Poi abbiamo bisogno di fosfato, abbiamo bisogno di ferro. Molte di queste cose sono molto facilmente fornite da meteoriti ferro-nichel”. Lo scenario dell’impatto ha un ulteriore vantaggio: gli impatti dei meteoriti scuotono l’atmosfera, producendo cianuro, dice Sutherland.

Deamer ha a lungo sostenuto un suggerimento diverso: sorgenti calde vulcaniche. In uno studio di quest’anno, lui e il suo collega Bruce Damer hanno sostenuto che i lipidi avrebbero formato protocellule nelle acque calde14, come indicato dai suoi precedenti esperimenti. I cicli umido-asciutto sui bordi delle piscine avrebbero guidato la formazione e la copia di acidi nucleici come l’RNA.

Deamer ha condotto diversi esperimenti nelle moderne sorgenti calde vulcaniche per testare le sue idee. Nel 2018, il suo team ha dimostrato che le vescicole potrebbero formarsi nell’acqua della sorgente calda15, e persino racchiudere acidi nucleici – ma non si formerebbero in acqua di mare. Uno studio di follow-up l’anno scorso ha scoperto che quando le vescicole risultanti sono state asciugate, i nucleotidi si sono collegati per formare filamenti simili all’RNA16.

Ridurre il luogo dove la vita ha avuto inizio richiederà la comprensione del quadro più ampio della chimica prebiotica: come le molte reazioni si combinano insieme, e le gamme di condizioni in cui si verificano. Questo compito mastodontico è stato tentato da un gruppo guidato dalla chimica Sara Szymkuć, presidente della start-up Allchemy a Highland, Indiana. Il team ha pubblicato a settembre uno studio completo che ha utilizzato un algoritmo informatico per esplorare come una vasta rete di reazioni prebiotiche conosciute potrebbe aver prodotto molte delle molecole biologiche utilizzate nella vita di oggi17.

La rete era altamente ridondante, quindi i composti biologici chiave potrebbero ancora formarsi anche se più reazioni sono state bloccate. Per questo motivo, Szymkuć sostiene che è troppo presto per escludere qualsiasi scenario per l’origine della vita. Ciò richiederà di testare sistematicamente una serie di ambienti diversi, per vedere quali reazioni si verificano dove.

Oltre la Terra

Se esperimenti come quello di Sutherland indicano la strada per l’inizio della vita sulla Terra, possono anche aiutare ad esplorare dove la vita potrebbe essere iniziata altrove nel cosmo.

Marte ha attirato la maggiore attenzione, perché ci sono chiare prove che una volta aveva acqua liquida sulla sua superficie. Il sito di atterraggio del rover Perseverance della NASA, il cratere Jezero, è stato scelto in parte perché sembra essere stato una volta un lago – e potrebbe aver ospitato la chimica che Sutherland ha studiato. Ha contribuito a scrivere una presentazione del 2018 alla NASA guidata da Catling, che ha riassunto i risultati della chimica prebiotica e ha consigliato dove Perseverance dovrebbe cercare. “Abbiamo presentato questa chimica e abbiamo detto che questo cratere Jezero, che è quello che alla fine hanno scelto, è quello in cui c’era la più alta probabilità di questa chimica”, dice Sutherland.

Saranno necessari due mesi prima che Perseverance raggiunga Marte – e anni prima che i campioni che raccoglie siano restituiti alla Terra da una missione futura ancora senza nome. Quindi, c’è ancora una lunga attesa prima di scoprire se Marte ospita la vita, o se lo ha fatto miliardi di anni fa. Ma anche se non l’ha fatto, potrebbe rivelare tracce di chimica prebiotica.

Il caso migliore, dice Catling, è che Perseverance trovi molecole complicate a base di carbonio negli strati di sedimenti marziani, come lipidi o proteine, o i loro resti degradati. Spera anche di trovare prove di cicli di umidità e siccità. Questo potrebbe venire sotto forma di strati di carbonato che si sono formati quando un lago si è asciugato e riempito molte volte. Sospetta che “la vita non sia andata particolarmente lontano su Marte”, perché non ne abbiamo visto alcun segno evidente, come fossili chiari o scisti neri ricchi di carbonio. “Quello che stiamo cercando è piuttosto semplice, forse addirittura al punto di essere prebiotico piuttosto che le cellule vere e proprie.”

Potrebbe essere che Marte abbia fatto solo i primi passi chimici verso la vita e non sia andato fino in fondo. In questo caso, potremmo trovare dei fossili, non di vita, ma di pre-vita.