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Le più antiche forme di vita terrestri

Risalgono a un periodo compreso fra 3,77 e 4,3 miliardi di anni fa i più antichi resti di forme di vita sulla Terra scoperti finora: sono stati ritrovati in Canada da un gruppo internazionale di ricercatori, che li descrivono in un articolo pubblicato su “Nature”.

I resti, piccoli filamenti e strutture tubulari di ematite (un ossido di ferro) formate da batteri che sfruttano l’ossidazione del ferro per produrre energia, erano racchiusi in strati di quarzo presenti nella formazione rocciosa del Nuvvuagittuq Supracrustal Belt, in Quebec, dove si trovano alcune delle più antiche rocce sedimentarie note, che un tempo formavano un sistema di bocche idrotermali sul fondale marino.

Prima di questa scoperta, i microfossili più antichi, scoperti in Australia, erano stati datati a 3,46 miliardi di anni fa, ma alcuni scienziati avevano sollevato il dubbio che si trattasse di strutture di origine non biologica.

Estremofili
Tubuli di ematite scoperti nella formazione di Nuvvuagittuq. (Cortesia Matthew Dodd)

Esaminando i reperti di Nuvvuagittuq, i ricercatori hanno quindi controllato sistematicamente se e come avrebbero potuto formarsi in modo non biologico quei filamenti e tubuli. L’indagine ha fatto concludere che è estremamente improbabile che siano il prodotto di cambiamenti di temperatura e pressione nella roccia durante la deposizione dei sedimenti. Le strutture di ematite scoperte mostrano la stessa caratteristica ramificazione che si osserva nei prodotti dei batteri ossidatori del ferro presenti ancor oggi in prossimità delle bocche idrotermali. Inoltre i filamenti mineralizzati sono associati a strutture sedimentarie sferoidali: “Riteniamo che queste strutture, grandi circa un centimetro (concrezioni o noduli), ma anche più piccole (rosette e granuli) – siano dei prodotti di putrefazione”, spiega Dominic Papineau dell’University College di Londra e coautore dello studio. 

estremofili
Microtubuli di ematite inclusi in una rosetta di quarzo. (Cortesia Matthew Dodd)

“Queste scoperte – ha concluso Matthew Dodd, compositore dell’articolo, dimostrano che la vita si è sviluppata sul nostro pianeta in un momento in cui sulla superficie di Marte e della Terra c’era acqua allo stato liquido. Questo solleva interessanti domande sulla vita extraterrestre. A meno che la Terra sia stata un’eccezione davvero particolare, ci potremmo dunque aspettare di trovare su Marte prove di una vita passata, risalenti a circa 4 miliardi di anni fa.” Queste strutture sono anche mineralogicamente identiche a quelle trovate in rocce più giovani, che contengono solitamente dei fossili.

Come vedere oltre il limite: Quando è nata la vita sulla Terra?  Ecco una domanda che pare avere solo risposte incerte e per la quale le ipotesi si sprecano. Il punto è che ci sono pochi fossili dell’Archeano, il periodo che va da 4 a 2,5 miliardi di anni fa, e il problema con i primi reperti fossili della vita è che sono difficili da interpretare. La rianalisi accurata di alcuni di quelli che erano ritenuti i più antichi fossili ha dimostrato che… erano cristalli, non fossili! Le difficoltà sono insomma tali e tante che nuove scoperte e revisioni di studi hanno portato a una proliferazione di idee spesso anche contrastanti sui tempi che riguardano la prima storia della vita.

calendario della vita
Il calendario della vita sulla Terra: la vita sul nostro pianeta è vecchia quasi quanto la Terra stessa, ma la linea evolutiva che ha portato fino a noi si è manifestata un miliardo di anni dopo.

La documentazione fossile della Terra più antica è insomma estremamente frammentata e più si va indietro nel tempo, oltre i 2,5 miliardi di anni fa, più la qualità dei reperti è deteriorata. Queste difficoltà hanno portato a sviluppare nuovi metodi per cercare di interpretare l’origine della vita sulla Terra, come quello adottato da un team di ricercatori del dipartimento di scienze della Terra dell’università di Bristol (UK), che si basa sulla combinazione di dati genomici e fossili.

«I fossili non rappresentano l’unica linea di prova per comprendere il passato: esiste una seconda registrazione di vita, conservata nei genomi di tutte le creature viventi. Combinando le informazioni fossili e genomiche, abbiamo usato un approccio chiamato orologio molecolare, basato sull’idea che il numero di differenze nei genomi di due specie viventi, per esempio un umano e un batterio, sono proporzionali al tempo trascorso da quando hanno condiviso un antenato comune.» afferma Philip Donoghue, uno dei ricercatori della Bristol.

L’orologio molecolare ha permesso ai ricercatori di ricavare una sorta di calendario della storia della vita sulla Terra che non si basa sull’età mutevole delle più antiche testimonianze fossili di vita.

tempo geologico
La suddivisione del tempo geologico del Precambriano, tra 4 e 2,5 miliardi di anni fa.

«Siamo stati in grado di dimostrare che il primo antenato universale di tutte le forme di vita cellulare, chiamato LUCA, esisteva già molto presto nella storia della Terra, circa 4,5 miliardi di anni fa, ossia non molto tempo dopo che la Terra venne colpita dal pianetoide Theia, l’evento che sterilizzò il nostro pianeta e portò alla formazione della Luna», afferma Davide Pisani, uno degli autori dello studio.

«È significativamente prima di quanto suggerirebbe la prova fossile più antica attualmente accettata», prosegue il ricercatore. «I nostri risultati indicano che dobbiamo aspettare un miliardo di anni circa dopo la nascita di LUCA per vedere emergere due linee “primarie”, quella degli Eubatteri e quella degli Archea» da cui sarebbero poi discesi gli eucarioti – quel vasto dominio dei viventi che comprende anche noi.

prime forme di vita
Gli archei (Archaea) sono microrganismi elementari le cui cellule sono senza nucleo (procarioti). Scoperti alla fine degli anni ’70, sono stati trovati in tutti gli habitat. Le relazioni di parentela (filogenesi) ed evolutiva tra procarioti (archei e batteri) ed eucarioti, i due domini in cui sono suddivisi gli organismi viventi, non sono tutt’oggi chiare: alcuni studi ipotizzano che gli archei siano all’origine della nascita delle cellule eucariote, il dominio della vita che include gli organismi dotati di nucleo, ossia gli unicellulari (protisti) e i multicellulari (le piante, i funghi, gli animali e quindi noi stessi). Vedi anche: Earth Microbiome Project.

Lo studio testimonia la “potenza” della genomica e conferma la visione moderna secondo cui gli eucarioti, il lignaggio a cui appartengono le piante, i funghi, gli animali e gli umani, non sono una linea primaria della vita: apparteniamo insomma a un lignaggio che è miliardi di anni più giovane della vita stessa e che non ha diritti di prelazione sul pianeta Terra.

L’antenato di tutti non è come si pensava

I primi esseri viventi, antenati di tutte le specie esistenti sulla Terra (dalle più semplici alle più complesse), erano cellule dalla struttura elementare. Si presume che siano vissute circa 3,6 miliardi di anni fa, prima della separazione tra batteri e archei (vedi illustrazione sotto): questi due domini, definiti procarioti (cioè privi di nucleo cellulare), sono anche adesso tra le forme di vita più semplici della Terra. L’altro dominio (Eucarioti) è costituito da cellule con il nucleo, e di esso fanno parte piante, funghi e animali (e anche voi).

I biologi che studiano l’origine della vita pensano che le cellule da cui sono poi derivati i procarioti avessero una struttura, e in particolare una membrana cellulare, a metà strada tra quella di questi due domini (appunto batteri e archei). L’ipotesi era così che questa cellula, il loro antenato comune (definito LUCA, per Last Universal Common Ancestor, cioè Ultimo Antenato Comune Universale), avesse una membrana costituita da due tipi differenti di “mattoni”, i cosiddetti fosfolipidi. Batteri e archei hanno invece fosfolipidi differenti tra loro, ma di un solo tipo.

L’idea di partenza era dunque che la membrana “mista” dell’ultimo antenato comune fosse imperfetta e instabile, e solo quando l’evoluzione ha portato a una membrana fatta da fosfolipidi di un solo tipo (uno per batteri, l’altro per archei), è nata una cellula stabile. Per studiare questa ipotesi, un gruppo di biologi molecolari olandesi ha provato a costruire un batterio con una membrana costituita da entrambi i tipi di molecole. In un articolo pubblicato sulla rivista Pnas , i ricercatori hanno descritto l’inserimento in un moderno batterio (Escherichia coli) dei geni che comandano la costruzione della membrana di un archeon, così da avere un ibrido con membrana mista. L’ibrido aveva il 30% dei fosfolipidi sostituiti con quelli di un archeon.

batteri
L’Escherichia coli ibrido, con la membrana cellulare costituita da due tipi di molecole. Nonostante qualche bozzo di troppo, vive bene. | PNAS

Il batterio così sintetizzato aveva una membrana con qualche “bozzo”, perché le molecole differenti dovevano adattarsi le une alle altre, ma, invece di sfaldarsi perché fatta da mattoni di forma differente, la membrana era resistente quanto quelle tipiche di batteri e archei.

L’ipotesi che l’evoluzione avesse spinto i due grandi domini a differenziarsi scegliendo le molecole con cui avvolgere le cellule è stata quindi smentita, e coloro che studiano la natura di LUCA devono cercare nuove ipotesi per scoprire le strade dell’evoluzione.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Converting Escherichia coli into an archaebacterium with a hybrid heterochiral membrane –
  2. Juli Peretó, Controversies on the origin of life (PDF), in International Microbiology, vol. 8, nº 1, Barcelona, Spanish Society for Microbiology, 2005, pp. 23–31, ISSN 1139-6709 (WC · ACNP), PMID 15906258. 
  3. Scharf, Caleb, A Strategy for Origins of Life Research, in Astrobiology, vol. 15, nº 12, 18 dicembre 2015 
  4. David Warmflash e Benjamin Warmflash, Did Life Come from Another World?, in Scientific American, vol. 293, nº 5, Stuttgart, Georg von Holtzbrinck Publishing Group, November 2005, pp. 64–71, Bibcode:2005SciAm.293e..64W, DOI:10.1038/scientificamerican1105-64, ISSN 0036-8733 (WC · ACNP).

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