IL MARE DENTRO DI NOI

Siamo davvero così distanti dal mondo in cui la vita è comparsa? Ogni cellula ospita un ambiente acquoso, un “mare dentro di noi” separato dall’esterno, mantenuto con ostinazione e tramandato attraverso miliardi di anni di evoluzione. Quanto c’è, in quel microscopico “mare”, delle nostre origini più remote?

ARCHEOLOGIA DELLA CELLULA

Se potessimo rimpicciolirci fino a entrare in una delle nostre cellule, attraversarne la membrana e immergerci nel suo interno, non entreremmo soltanto in uno spazio microscopico. In un certo senso, entreremmo nel passato.

Ogni cellula racchiude infatti un ambiente acquoso ricco di sali, zuccheri, proteine e molte altre molecole*.

La parte liquida del citoplasma si chiama citosol ed è il mezzo nel quale avviene gran parte della chimica che rende possibile la vita.

È suggestivo immaginarlo come una minuscola porzione di mare primordiale che ci portiamo dentro da miliardi di anni.

Naturalmente non è la stessa acqua e la sua composizione è cambiata innumerevoli volte. Eppure quell’immagine contiene qualcosa di profondamente vero.

L’ambiente interno delle nostre cellule discende, attraverso una lunghissima continuità evolutiva, da quello stesso ambiente racchiuso dalle prime protocellule negli ambienti acquosi della Terra primordiale.

Per capire in che senso, dobbiamo fare un passo indietro.

Molto indietro.

PRIMA DELLA VITA

La Terra si formò circa 4,54 miliardi di anni fa.

All’inizio era un pianeta irriconoscibile: caldo, geologicamente molto attivo, colpito più spesso da corpi extraterrestri e privo dell’atmosfera ricca di ossigeno che conosciamo oggi.

Con il tempo la superficie si raffreddò. Cristalli di zircone antichissimi indicano che acqua liquida e una crosta solida potrebbero essere esistite già circa 4,4 miliardi di anni fa.
Le più antiche testimonianze convincenti di vita risalgono invece ad almeno 3,4–3,5 miliardi di anni fa.

Tra questi due momenti si nasconde uno dei capitoli più misteriosi della storia del pianeta: il passaggio dalla chimica alla biologia.

Non sappiamo quando sia comparsa la prima cellula, né dove. Sappiamo però che, a un certo punto, la materia cominciò a organizzarsi in sistemi capaci di mantenersi, riprodursi ed evolvere.

La materia cominciò a diventare vita.

DAL BRODO ALLA CELLULA

Negli anni Venti del Novecento Aleksandr Oparin e J.B.S. Haldane proposero che, sulla Terra primitiva, sostanze relativamente semplici presenti nell’acqua e nell’atmosfera potessero reagire grazie a fonti di energia come calore, radiazioni ultraviolette e scariche elettriche, formando progressivamente molecole organiche sempre più complesse.

Queste avrebbero potuto accumularsi negli ambienti acquatici, creando una sorta di miscela ricca dei “mattoni” chimici necessari ai successivi passi verso la vita: il celebre “brodo primordiale”.

L’idea rimase per alcuni decenni soprattutto un’ipotesi, finché nel 1953 Stanley Miller e Harold Urey provarono a riprodurre in laboratorio alcune delle condizioni che si riteneva potessero esistere sulla Terra primitiva.

Fecero circolare acqua e una miscela di gas in un sistema chiuso e produssero scariche elettriche, simulando in modo molto semplificato l’azione dei fulmini. Dopo pochi giorni nel recipiente erano comparse diverse molecole organiche, tra cui gli aminoacidi, componenti fondamentali delle proteine.

Non avevano creato la vita, e nemmeno una protocellula. Avevano però dimostrato qualcosa di decisivo: alcuni dei mattoni chimici della vita possono formarsi spontaneamente a partire da sostanze più semplici, senza che sia necessario un organismo vivente a produrli.

Il problema, a quel punto, diventava capire come quei mattoni potessero concentrarsi, organizzarsi e cominciare a funzionare insieme.

Non esiste uno scenario certo per questo passaggio fondamentale: sono state proposte sorgenti idrotermali sul fondo degli oceani, pozze geotermali sulla terraferma, superfici minerali e ambienti soggetti a cicli di evaporazione e reidratazione.

Qualunque sia stato il luogo, per arrivare a qualcosa di simile a una cellula furono fondamentali almeno due passaggi.

Il primo fu la comparsa di un confine.

Il secondo, di una memoria.

L’INVENZIONE DI UN “DENTRO”

In acqua le molecole possono incontrarsi e reagire, ma possono anche disperdersi. Una combinazione chimica favorevole serve a poco se i suoi prodotti si diluiscono subito nell’ambiente circostante.

Una membrana cambia le regole.

Alcune molecole semplici, come gli acidi grassi, possono organizzarsi spontaneamente in sottili membrane e richiudersi formando piccole vescicole. In laboratorio strutture di questo tipo possono incorporare sostanze, crescere e, in certe condizioni, dividersi.

Non sono cellule, non ancora. Ma mostrano come possa comparire un interno distinto dall’esterno.

Le prime membrane non dovevano essere barriere perfette. Dovevano lasciare entrare ed uscire alcune molecole e, nello stesso tempo, trattenere quegli elementi che servivano per espletare le reazioni interne della cellula.

Con l’evoluzione, questo confine divenne sempre più sofisticato. Le membrane cellulari moderne controllano ciò che entra e ciò che esce, permettendo alla cellula di mantenere condizioni interne diverse da quelle dell’ambiente circostante.

L’idea fondamentale, però, era già comparsa: costruire un piccolo mondo interno e impedirgli di dissolversi nel tumultuoso mondo circostante.

UN INTERNO DA CONSERVARE

È qui che nasce, in senso evolutivo, il microscopico “mare” delle nostre cellule.

All’interno delle prime membrane c’era una soluzione acquosa ancora fortemente influenzata dall’ambiente esterno.

Con l’evoluzione si svilupparono membrane più selettive e sistemi capaci di regolare gli scambi, e l’ambiente interno divenne qualcosa che la cellula poteva costruire e difendere attivamente.

Da allora la distinzione tra dentro e fuori non è più scomparsa dalla vita cellulare.
Ma il citoplasma non si tramanda come una bottiglietta d’acqua sigillata: le sue molecole vengono continuamente consumate e sostituite.

La continuità non riguarda le singole molecole. Riguarda il piccolo mare interno che chiamiamo citoplasma e che viene gelosamente custodito e tramandato dalle nostre cellule (nostre e di qualsiasi altro essere vivente).

Ogni nuova cellula ricostruisce quell’ambiente acquoso regolato nel quale avviene la vita.

UNA MEMORIA PER POTER CONTINUARE

Un compartimento, però, non basta.

Una membrana può racchiudere una combinazione chimica favorevole, ma se quella particolare organizzazione non può essere copiata e trasmessa, ogni volta tutto ricomincia da capo.

Perché inizi davvero l’evoluzione serve una memoria.

Oggi questa funzione è affidata soprattutto al DNA*. Ma molti ricercatori ritengono che, nelle prime fasi della vita, l’RNA* abbia avuto un ruolo centrale.

L’RNA è interessante perché può fare due cose: conservare l’informazione genetica e, in alcuni casi, favorire reazioni chimiche. Esistono infatti molecole di RNA, chiamate ribozimi, capaci di comportarsi in parte come enzimi.

Da qui nasce l’ipotesi del mondo a RNA: prima dell’attuale sistema basato su DNA, RNA e proteine, potrebbe essere esistita una fase in cui l’RNA svolgeva più funzioni contemporaneamente.

Non sappiamo se l’RNA sia stato davvero il primo sistema capace di replicarsi. Potrebbero essere esistite soluzioni ancora precedenti, oggi scomparse.

Ma a un certo punto comparve qualcosa capace di conservare e trasmettere informazione.

QUANDO UN CONFINE INCONTRÒ UNA MEMORIA

Quando questa memoria finì all’interno di un compartimento delimitato da una membrana, comparve qualcosa di nuovo: non soltanto una struttura capace di durare, ma un sistema capace di creare delle copie, di creare discendenti.

Ma la continua replicazione poteva introdurre alcuni “errori” nelle nuove protocellule. E proprio l’imperfezione delle copie rese possibile il passo successivo.

Se durante la replicazione comparivano variazioni e alcune permettevano a una protocellula di crescere, sopravvivere o riprodursi meglio di altre, quelle varianti potevano diventare più frequenti.

Comparivano così gli ingredienti della selezione naturale.

Probabilmente non esistette un singolo istante in cui la materia smise improvvisamente di essere chimica e diventò vita.

Più verosimilmente ci fu una lunga transizione, piena di tentativi, vicoli ciechi e nuove possibilità.

Ma l’incontro tra un confine e una memoria rappresentò una soglia fondamentale. Una soglia che varcata aprì orizzonti inimmaginabili, dai quali non siamo più tornati indietro.

La materia aveva imparato ad avere discendenti.

La materia era diventata “vita”.

UN MARE DIVERSO DAL MARE

Pensare che il nostro citoplasma derivi in qualche modo da una microscopica porzione degli antichissimi oceani primordiali è di per sé una teoria molto suggestiva e affascinante.

Tuttavia, se si analizza la composizione citoplasmatica delle nostre cellule ci accorgiamo che siamo molto lontani dalla composizione della vera acqua di mare.

Uno degli esempi più evidenti riguarda sodio e potassio. Nell’oceano il sodio è molto più abbondante del potassio; dentro le cellule, invece, accade generalmente il contrario.

E non vale soltanto per noi. Anche gli organismi che vivono immersi nell’oceano mantengono una composizione interna diversa dall’acqua che li circonda.

Molti animali marini possiedono fluidi corporei che, nel complesso, hanno una concentrazione di sostanze disciolte simile a quella dell’acqua marina; eppure le loro cellule continuano a mantenere molto potassio e relativamente poco sodio. Persino molte alghe marine accumulano potassio ed espellono sodio.

Il citoplasma, insomma, non è acqua di mare racchiusa dentro una membrana.
Perché allora il potassio sia diventato così importante rimane una domanda aperta.

Secondo alcuni ricercatori, questa caratteristica potrebbe conservare una traccia di ambienti ricchi di potassio nei quali si svilupparono le prime cellule.

Secondo altri, il potassio potrebbe essere stato favorito molto presto dall’evoluzione perché particolarmente adatto al funzionamento di alcune delle più antiche macchine molecolari della vita.

Le due possibilità raccontano storie diverse sulle nostre origini e, per ora, non sappiamo quale sia quella corretta.

Allo stesso modo non sappiamo con certezza dove la vita abbia avuto origine.

Una delle ipotesi più affascinanti la colloca presso sorgenti idrotermali alcaline sul fondo dell’oceano, dove minerali, piccoli compartimenti naturali e differenze chimiche avrebbero potuto fornire materia ed energia alle prime reazioni. Altri modelli propongono invece ambienti geotermali sulla terraferma.

Il palcoscenico originario rimane quindi sfuggente.

Ma di certo sappiamo che lo spettacolo c’è stato.

E ha avuto un enorme successo.

NON È UNA ZUPPA

Naturalmente il citoplasma moderno non assomiglia più a un semplice brodo di acqua salata.

È un ambiente affollatissimo di proteine, RNA, sali e altre molecole, che si muovono e reagiscono continuamente.

Più che una zuppa, assomiglia a una metropoli nell’ora di punta.

Eppure quella metropoli rimane soprattutto un ambiente acquoso, una Venezia in miniatura.

Si sente spesso dire che siamo “fatti al 70% d’acqua”. È una semplificazione: nell’adulto l’acqua rappresenta in media circa il 50–60% della massa corporea, con variazioni legate all’età e alla composizione corporea. Una parte importante di quest’acqua si trova proprio dentro le cellule.

Non è un dettaglio, né un caso.
La chimica della vita terrestre avviene nell’acqua. Le cellule dipendono da essa per mantenere le proprie reazioni, il proprio volume e la giusta concentrazione delle sostanze disciolte.

Ed è anche per questo che dobbiamo bere continuamente: perdiamo acqua ogni giorno attraverso urine, respirazione, pelle e feci e dobbiamo sostituirla per mantenere stabile il nostro ambiente interno.

Non beviamo perché il corpo conservi una nostalgica memoria dell’oceano.

Beviamo perché, dopo quasi quattro miliardi di anni, la vita non ha mai smesso di essere chimica organizzata nell’acqua.

IL MARE DENTRO DI NOI

Dunque abbiamo davvero un mare primordiale dentro di noi?

In un certo senso, sì.

Non come una goccia della Terra primitiva rimasta imprigionata nelle nostre cellule, ma come la continuazione di un’idea antichissima: costruire e mantenere un ambiente acquoso distinto dal mondo esterno.

Da quando le prime protocellule delimitarono un “dentro” e lo associarono a un sistema capace di trasmettere informazione, la vita cellulare non ha più abbandonato questa soluzione.

Ha trasformato le membrane, perfezionato i sistemi di trasporto e modificato profondamente la propria chimica.

Ma ha continuato, generazione dopo generazione, a ricostruire il proprio ambiente interno e a tramandarlo alle cellule figlie, grazie alla divisione cellulare e ai processi riproduttivi degli organismi viventi.

Le singole molecole non sono antiche. La continuità lo è.

Il mare dentro di noi non è quindi un reperto conservato sotto vetro, né un campione di oceano primitivo. È piuttosto un suo discendente.

E c’è qualcosa di straordinario nel pensare che l’acqua che beviamo oggi entrerà nei nostri fluidi, attraverserà membrane e potrà diventare, per qualche tempo, parte dell’ambiente interno di una delle nostre cellule.

Una molecola d’acqua appena entrata nel nostro corpo si troverà così immersa in un sistema la cui organizzazione affonda le proprie radici nelle origini stesse della vita, prima di uscirne nuovamente ed essere sostituita da altre.

Il mare dentro di noi è in perpetuo movimento.

È continuamente rinnovato e, allo stesso tempo, straordinariamente antico: la vita, generazione dopo generazione, continua a costruire ancora il proprio microscopico mare.

BIBLIOGRAFIA

• Lazcano, A. (2010). Historical development of origins research. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2(11), a002089. doi: 10.1101/cshperspect.a002089.
• Miller, S. L. (1953). A production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science, 117(3046), 528–529. doi: 10.1126/science.117.3046.528.
• Mulkidjanian, A. Y., Bychkov, A. Y., Dibrova, D. V., Galperin, M. Y., & Koonin, E. V. (2012). Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 109(14), E821–E830. doi: 10.1073/pnas.1117774109
• Patterson, C. (1956). Age of meteorites and the Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 10(4), 230–237. doi: 10.1016/0016-7037(56)90036-9
• Popkin, B. M., D’Anci, K. E., & Rosenberg, I. H. (2010). Water, hydration, and health. Nutrition Reviews, 68(8), 439–458. doi: 10.1111/j.1753-4887.2010.00304.x
• Robertson, M. P., & Joyce, G. F. (2012). The origins of the RNA world. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 4(5), a003608. doi: 10.1101/cshperspect.a003608
• Schrum, J. P., Zhu, T. F., & Szostak, J. W. (2010). The origins of cellular life. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2(9), a002212. doi: 10.1101/cshperspect.a002212
• Somero, G. N. (2022). Solutions: how adaptive changes in cellular fluids enable marine life to cope with abiotic stressors. Marine Life Science & Technology, 4(3), 389–413. doi: 10.1007/s42995-022-00140-3
• Wilde, S. A., Valley, J. W., Peck, W. H., & Graham, C. M. (2001). Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 409, 175–178. doi: 10.1038/35051550