Vi sono tre caratteristiche che distinguono la cellula da un semplice aggregato di molecole complesse: (1) la capacità di riprodurre se stessa, generazione dopo generazione; (2) la presenza di enzimi, proteine complesse essenziali per le razioni chimiche dalle quali dipende la vita; e (3) una membrana che separa la cellula dall’ambiente circostante permettendole di mantenere un’identità chimica propria. Quali di queste caratteristiche sia comparsa per prima e abbia reso possibile l’attuazione delle altre è ancora una questione irrisolta.

Oggi sappiamo che l’acido nucleico RNA è indispensabile alle cellule per sintetizzare le proprie proteine; d’altra parte, però, l’assemblaggio dei filamenti di RNA avviene grazie agli enzimi, che, come abbiamo visto nel capitolo precedente, sono molecole proteiche. Analogamente al fatto di chiedersi se è nato prima l’uovo o la gallina, gli scienziati si sono chiesti se, nelle formazione delle prime cellule, si siano formate prima le proteine o gli acidi nucleici. Studi condotti in questi ultimi decenni fanno ritenere che la comparsa dell’RNA sia anteriore a quella delle proteine; certe funzioni catalizzatrici dell’RNA, infatti, suggeriscono che una tappa fondamentale dell’evoluzione delle prime cellule potrebbe essere stata l’auto-assemblaggio di molecole di RNA a partire da nucleotidi prodotti dall’evoluzione chimica. Pur ritenendo che, in particolari situazioni, l’RNA sia in grado, oltre che di consentire la formazione di nuove proteine, anche di catalizzare la propria duplicazione a partire dalle sue componenti di base, ossia i nucleotidi, rimane da capire in che modo il ribosio, le basi azotate e i gruppi fosfato si siano potuti legare tra loro spontaneamente, un problema che le attuali ricerche non hanno ancora risolto.

In altri esperimenti che simulavano le condizioni ambientali dei primi miliardi di anni sulla Terra, Fox e i suoi collaboratori produssero strutture proteiche circondate da membrane, dette microsfere proteinoidi (a destra), che possono svolgere alcune reazioni chimiche analoghe a quelle delle cellule. Le microsfere  crescono lentamente per aggiunta di sostanze proteinoidi prelevate dalla soluzione e alla fina, dividendosi per gemmazione, producono microsfere più piccole. Queste strutture non sono cellule viventi perché manca in esse una proprietà fondamentale delle cellule, ossia quella di contenere e trasmettere il patrimonio genetico; la formazione delle microsfere, però, suggerisce i tipi di processi che avrebbero potuto dare origine a entità proteiche autosufficienti, separate dal loro ambiente e capaci di compiere, attraverso scambi selettivi di ioni con l’ambiente circostante, le reazioni chimiche necessarie per mantenere la loro integrità fisica e chimica.

Le membrane cellulari contengono grandi quantità di proteine, ma la loro struttura di base è composta da lipidi. Si è ipotizzato che le comete e i meteoriti, che hanno colpito la Terra primitiva con un certa frequenza e che contengono talvolta materiali carboniosi, potrebbero essere stati fonte di composti organici, quali alcune sostanze simili ai lipidi. David W. Deamer e i suoi collaboratori dell’Università della California hanno estratto e analizzato molecole organiche da meteoriti; alcune di queste molecole si auto-assemblano spontaneamente in sfere circondate da membrana (a sinistra).

Non si sa quando le prime cellule comparvero sulla Terra, ma possiamo stabilire una specie di scala temporale. I fossili più antichi trovati finora (in basso a sinistra), che assomigliano ai batteri attuali (in basso a destra), sono stati datati a 3,5 miliardi di anni fa, circa 1,1miliardidi anni dopo la   formazione della Terra stessa. Queste cellule fossili sono sufficientemente complesse da dimostrare che alcuni piccoli aggregati chimici hanno attraversato, milioni di anni prima, il tenue confine che divide i viventi dai non viventi.

Un’interessante scoperta a sostegno che le prime cellule viventi possano essere giunte sulla Terra grazie a meteoriti provenienti dallo spazio è stata fatta in Antartide nel 1996. il dato singolare è che questo meteorite sembra essersi staccato da Marte circa 4,5 miliardi di anni fa e sia stato attratto dalla gravità terrestre dopo aver vagato nello spazio per milioni di anni; diversi esami sembrano confermare la presenza su di esso di batteri fossili un tempo in grado di svolgere semplici processi metabolici. Se le analisi fossero confermate, si dovrebbe giungere alla conclusione che, poco dopo la formazione del Sistema solare, su Marte ci fossero acqua e primitive forme di vita.

Eterotrofi e autotrofi

 

Sulla Terra primitiva e nella sua atmosfera, l’energia che produsse le prime molecole organiche proveniva da fonti diverse: calore, radiazioni ultraviolette e scariche elettriche. Quando comparvero, le primi cellule, o le strutture analoghe, avevano bisogno di un rifornimento continuo di energia per esistere, crescere e riprodursi. Il modo in cui queste cellule si procuravano l’energia è ancora oggi argomento di discussione.

Gli organismi moderni, e le cellule che li costituiscono, possono soddisfare le loro esigenze energetiche in due modi. Gli eterotrofi sono organismi che dipendono da fonti esterne di molecole organiche per quanto riguarda sia l’energia sia le piccole molecole che servono come materiale da costruzione (etero- deriva dalla parola greca che significa “altro” e trophè significa “nutrirsi”). Tutti gli animali e i funghi, così come molti organismi unicellulari, sono eterotrofi.

Gli autotrofi, invece, sono organismi “che si nutrono da soli”. Essi non hanno bisogno di molecole organiche provenienti da fonti esterne per ricavare energia o da usare come materiali da costruzione in quanto sono in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche ricche di energia a partire da sostanze inorganiche semplici. Molti autotrofi, tra cui le piante e parecchi tipi di organismi unicellulari, sono fotosintetici, poiché la loro fonte di energia per le reazioni di sintesi è il Sole. certi gruppi di batteri sono, invece, chemiosintetici; questi organismi catturano l’energia liberata da particolari reazioni inorganiche per attivare i loro processi vitali, tra cui la sintesi delle molecole organiche complesse.

Per molto tempo si è ipotizzato che le prime cellule fossero eterotrofe in quanto utilizzavano le molecole organiche presenti nel “brodo primordiale”, le stesse molecole utilizzate dalle cellule per auto-assemblarsi. Secondo questa ipotesi, a mano a mano che le cellule primitive aumentavano di numero, cominciarono ad esaurire le molecole complesse da cui dipendeva la loro esistenza e che avevano impiegato milioni di anni per accumularsi. Una volta ridotta la riserva di queste molecole, iniziò una forma di competizione: le cellule che erano in grado di fare un uso efficiente delle fonti delle limitate fonti di energia allora disponibili avevano più probabilità di sopravvivere e di riprodursi rispetto alle cellule prive di tali capacità. Col passare del tempo si solvettero cellule che erano capaci di sintetizzare molecole organiche a partire da semplici sostanze inorganiche.

Le scoperte più recenti, tuttavia, sono più orientate verso l’ipotesi che le prime cellule potessero essere autotrofe, chemiosintetiche o fotosintetiche, piuttosto che eterotrofe. Innanzitutto, sono stati trovati parecchi gruppi differenti di batteri chemiosintetici che avrebbero potuto essere molto adatti alle condizioni ambientali dominanti sul giovane pianeta; alcuni di questi batteri come i metanogeni, possono vivere soltanto in assenza di ossigeno, una condizione predominante sulla giovane Terra, ma presente oggi solo in ambienti isolati come i fondali di melma e fango delle paludi; altri, invece, sono stati trovati nelle profonde fosse oceaniche dove si raccolgono i gas sfuggiti dalle fessure della crosta terrestre. È stato accertato che questi batteri sono i rappresentanti sopravvissuti di gruppi molto antichi di organismi unicellulari.

I biologi, al momento attuale, non sono in grado di risolvere il problema se i primi microfossili fossero eterotrofi o autotrofi, ma è certo, senza l’evoluzione degli autotrofi, la vita sulla Terra sarebbe presto cessata. In più di 3.5 miliardi di anni dall’origine della vita sulla Terra a oggi, gli autotrofi di maggiore successo (quelli cioè che hanno lasciato il maggior numero di discendenti e si sono diversificati nella maggiore varietà di forme) sono stati quelli che hanno sviluppato un sistema per utilizzare direttamente l’energia del Sole nel processo di fotosintesi. Con la comparsa della fotosintesi, il flusso di energia nella biosfera venne ad assumere la sua forma moderna dominante: energia radiante del Sole trasmessa, attraverso gli autotrofi fotosintetici, a tutte le altre forme di vita.