Microbi. Anche ciò che non vediamo ci riguarda

L’attività umana ha prodotto nei sistemi terrestri cambiamenti che, per proporzioni e importanza, non hanno pari dall’avvento della fotosintesi, e ciò ci ha dato alla testa. Qualcuno l’ha chiamata impronta ecologica. Ma che cosa ha a che fare con batteri e affini? E questi, che c'entrano con bit & byte?

È stato detto «Siamo proprio come dei, quindi tanto vale abituarci all’idea».

Nella seconda metà del Novecento, molti pensavano che i rapidi progressi tecnologici avessero ormai superato ogni limite che ostacolava il controllo umano sul pianeta. Questa visione ottimista, definita «Antropocene buono», si basava sull’idea che il nostro ingegno tecnologico ci avrebbe permesso di mantenere uno stile di vita ad alto consumo energetico gestendo responsabilmente il grande potere acquisito.

«State soffrendo per un bene più grande» si diceva...e allora ditelo alle popolazioni che sono già nella morsa della siccità o dell'innalzamento del livello medio dei mari!

Gli abitanti di Bikini si sentirono dire qualcosa di simile – che evacuare la loro casa sarebbe stato per il bene di tutta l’umanità – dall’esercito americano, e questo particolare esempio di giocare a fare dio ha lasciato un angolo del pianeta inabitabile per oltre 20.000 anni. Assurdo, perfino crudele, quanto appare.

Il fatto che abbiamo alterato i cicli geochimici del pianeta non significa che ne abbiamo il controllo; ma del resto l’Antropocene non riguarda affatto il controllo, piuttosto evidenzia la relazione intima con il futuro del pianeta, strana tanto quanto quella che ci lega alle nostre comunità microbiche.

I rapporti nel tempo recente tra biomasse animali addomesticate, umana e naturali

Questo è il grafico più spaventoso del mondo: la quantità di biomassa rappresentata dal totale di quella umana e degli animali da questa addomesticati supera di diversi ordini di grandezza quella della fauna selvatica. Ma ciò che poche persone capiscono è che descrive anche una catastrofe microbica.

Ogni specie possiede un ecosistema influenzato dall'ambiente e dagli altri animali con cui interagisce. Il leone nella savana entra in contatto con nuovi microbi quando si nutre di carcasse o beve dove altri animali hanno lasciato escrementi. In cattività, mangia solo carne sterilizzata ed è a contatto esclusivamente con persone. Non ci sono separazioni nette, non c’è antitesi tra uomo e natura. Un declino in un livello porta al declino in un altro; quando la biodiversità cala nel macromondo, cala anche in quello microbico. Come le matriosche, ogni estinzione di mammiferi o insetti contiene altre innumerevoli estinzioni o quasi estinzioni, che si verificano a mano a mano che il microbiota animale perde il proprio habitat.

Ciò che rimane è la microbiomassa associata agli esseri umani e a ciò che mangiano.

La biomassa della Terra e un dettaglio della distribuzione di quella animale

Mutare e trasferire
Quanto i microbi siano indispensabili è presto detto. Un grammo di fango negli estuari urbani di città come Shangai o New York, contiene circa un milione di geni resistenti agli antibiotici provenienti dai batteri. Si sono scoperti batteri mangiasale vivi, sopravvissuti dopo essere rimasti intrappolati nei cristalli per 250 milioni di anni. Il principio del cambiamento è il tratto più essenziale del mondo microbico. Le forme di vita unicellulari esistono forse da 4 miliardi di anni, e ogni innumerevole generazione ha prodotto una leggera differenza rispetto alla precedente, un piccolo errore nella copia. È stato ipotizzato che ci siano tante specie diverse quanti sono stati i batteri individuali: idea che è già di per sé notevole prima ancora di considerare che in ogni dato momento sulla Terra sono esistiti qualcosa come 5.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (5x10³⁰) batteri – espressi in tonnellate di carbonio si stima equivalgano a circa 70x10⁹ tonnellate (Gt). Si pensa che un’altra quantità pari a 1.000.000.000.000.000.000 (10¹²) viva sulle particelle di polvere nell’atmosfera, e si crede che tra il 50 e il 90 per cento della biomassa oceanica consista di cellule microbiche. Sono numeri pari ad almeno 100 volte il quantitativo di stelle di tutte le galassie dell’universo.

Nel 2016, scienziati giapponesi hanno scoperto un batterio capace di degradare la plastica PET in uno stabilimento di riciclaggio, segnalando come i microbi oceanici si stiano evolvendo per consumare rifiuti plastici. L’origine di questa incredibile diversità risiede nella loro capacità di condividere il proprio DNA: il processo del Trasferimento Genico Orizzontale. Una cellula batterica può scambiare le proprie informazioni genetiche con qualsiasi altra cellula. I microbi che si sfiorano l’un l’altro possono scambiarsi i geni: in alcune specie lo scambio è mutuo e coordinato, altre specie assorbono ciò che trovano, pezzi di DNA, frammenti di virus, altre ancora rubano il patrimonio genetico altrui fagocitando altri microbi (così sono nati organelli specializzati presenti nelle cellule eucariotiche). Oppure scelgono di coabitare e, come coppie sposate da tempo, alla fine si fondono per diventare quasi indistinguibili l’uno dall’altro. Non tutti gli scambi danno luogo a adattamenti significativi: le modifiche inutili spesso vengono spazzate via dalle generazioni successive. Questo processo permette ai microbi di sviluppare processi vitali importanti quali fotosintesi, catabolismo e simbiosi.

Tuttavia, le nostre azioni stanno censurando sempre di più questa libera espressione, frenando l’orgia e costringendo l’evoluzione microbica a seguire la nostra guida. Da quando abbiamo cominciato a usare il fuoco – oltre 500.000 anni fa - per cucinare il nostro cibo, gli uomini influiscono sulla selezione dei geni nelle proprie popolazioni microbiche tramite scelte dietetiche. Questa selezione «morbida», però, è diventata un processo di selezione «dura» tramite l’uso di composti antimicrobici; dapprima con esitazione, da quando abbiamo cominciato a sfruttare gli effetti profilattici del mercurio e dell’arsenico alla fine dell’Ottocento, ma poi con aggressività, da quando si è diffuso l’impiego di antibiotici dopo la seconda guerra mondiale. A titolo di esempio nelle popolazioni mondiali sviluppate, l’abuso di antibiotici è accusato di essere la causa del rapido declino di Helicobacter pylori, un microbo che vive nello stomaco e che si coevolve con gli esseri umani da almeno 100.000 anni per assistere nel regolare la produzione di acido nello stomaco (qui la storia della scoperta della vera natura dell’ulcera). E gli effetti di questa liberalità con gli antibiotici non si notano solo nelle viscere umane.

Antibiotici

Gli antibiotici hanno sicuramente contribuito alla formazione di fossili futuri semplicemente con il loro effetto sui tassi di mortalità, ma hanno anche influenzato in maniera sostanziale la prosperità di batteri che si sviluppano molto lontano dai corpi di esseri umani o animali trattati. Sono comunemente usati per promuovere la crescita del bestiame e, dato che fra il 30 e il 90 per cento degli antibiotici ingeriti sia dagli animali sia dagli esseri umani vengono espulsi immutati nel suolo e nei corsi d’acqua, il mondo microbico in generale viene inondato da composti antimicrobici. Potrebbe risentirne perfino il fondamentale ritmo dell’evoluzione batterica e rischiamo di rendere inefficace una delle maggiori e più benefiche scoperte mai fatte. 

La resistenza agli antibiotici prodotti in laboratorio ebbe inizio negli anni Venti del Novecento, da una singola componente di DNA. Da allora si è diffusa attraverso il trasferimento genico orizzontale a velocità sorprendentemente elevate. Oggi, in ogni grammo di escrementi umani o animali si trovano milioni di copie di quell’elemento originario; ogni giorno circa 100.000.000.000.000.000.000.000 (10²³) copie vengono rilasciate nell’ambiente, riversandosi nei fiumi e negli oceani tramite gli impianti per il trattamento delle acque reflue - veri e propri hotspot di propagazione - oppure tornano al terreno. Questi elementi genici sono stati trovati sia nella foresta pluviale amazzonica che nelle regioni polari. L'emissione di composti nell'atmosfera sta accelerando l'evoluzione microbica e aumentando la diffusione dei geni di resistenza nel pangenoma globale. Molti eventi selettivi che causano resistenza sono temporanei, ma alcuni cambiamenti nelle comunità microbiche saranno permanenti.

Ci sono molti divulgatori sui social che diffondo splendide immagini e video del mondo microscopico, segnalo questa.

Batteri ovunque
Ogni grammo di terreno contiene miliardi di cellule microbiche. Il DNA extracellulare può sopravvivere nel suolo o nell’argilla per migliaia di anni, e date le giuste condizioni, potrà restare nell’humus fino a quando incontrerà un batterio ricettivo, mettendo in moto una nuova linea di evoluzione batterica.

Il dogma centrale della biologia

La regola essenziale della vita biologica è fissata da quasi 4 miliardi di anni: l’informazione biologica scorre dal DNA all’RNA, alla proteina, al fenotipo in una cascata chiusa che gli scienziati chiamano «dogma centrale» (ne ho scritto qui). È immutabile ed esiste fin dal Last Universal Common Ancestor, l’ultimo antenato universale comune di tutta la vita (LUCA). Ma per la prima volta in 3,7 miliardi di anni, le nuove tecniche di conservazione con silicio che memorizzano dati digitali nel DNA hanno superato il tradizionale dogma centrale.

Abbiamo un organismo capace di dirigere la propria evoluzione e l’evoluzione di ogni essere vivente sul pianeta: Homo sapiens. E per quanto se ne dica, spesso con giudizi puramente ideologici, la modifica genetica degli organismi operata dagli umani è antica quanto essi stessi.

Nel 2007 fu sintetizzato chimicamente il primo genoma: il DNA di un batterio fu impiantato nelle cellule di un altro batterio. Il risultato fu che il secondo somigliava e si comportava esattamente come il primo. Alcuni anni dopo, furono sintetizzate alcune cellule viventi di questo batterio basandosi sulle informazioni archiviate elettronicamente. Ciò che fu fatto rappresenta una transizione evolutiva vera e propria.

Fino ad allora, ogni essere vivente aveva bisogno di un antenato (Omne vivum ex vivo, come ebbe a dire Pasteur): adesso non più. In teoria, estendere il dogma centrale potrebbe permettere la ricostruzione di patogeni o specie estinte, perfino la sintesi di organismi nuovi, uno qualunque dei quali, se prosperasse, rappresenterebbe un segno nella sabbia del tempo evolutivo.

Ma per ora, siamo ancora meno che all’inizio. Per fortuna. Personalmente resuscitare specie estinte non mi interessa, mi accontento delle loro rarissime tracce fossili.

Tornando a quella visione divina che molti esseri umani hanno del loro potere, realizzare la de-estinzione sarebbe il più grande trucco divino di tutti, ma non si raggiungerà confezionando in laboratorio specie scomparse. Gli animali non sono semplicemente la somma delle loro parti: ogni caratteristica fisica è il risultato di una serie di adattamenti evolutivi trasmessi attraverso migliaia di generazioni. Fabbricare un nuovo genoma non sarebbe sufficiente. Esistono già elefanti asiatici con pezzi di DNA di mammut ma come gli elefanti, i mammut avranno avuto una struttura sociale complessa. Un nuovo branco esisterebbe in un vuoto sociale, un mondo che ha completamente dimenticato cosa significa essere un mammut. Gli animali devono imparare a essere animali: non si può sintetizzare il comportamento. E ancora, come ebbe a dire il biologo evoluzionista Stephen J. Gould, se potessimo riavvolgere il nastro dell’evoluzione e ripartire da zero, i percorsi e i finali sarebbero del tutto diversi ogni volta.

Anche noi avremmo bisogno di cambiare. Riportare in vita specie perse per l’espansione del dominio umano sarebbe miracoloso, forse perfino un’espiazione per i peccati passati, ma ci richiederebbe anche di imparare a vivere accanto a ciò che un tempo abbiamo espulso dell’esistenza.

I microbi esistono da miliardi di anni grazie alla loro inventiva. Sono i grandi improvvisatori del mondo, e la loro capacità di evolvere oltre i propri limiti apparenti sembra un buon modello da cui imparare a vivere nel mondo che abbiamo creato per noi stessi. I microbi dimostrano che ciò che potremmo essere non è limitato da ciò che siamo, e che accettare collaborazione e adattamento, scrollandoci di dosso le vecchie forme per accettarne di nuove, può portare a un aumento di vita.

Archiviazione

Ma ancora una volta emerge l’antropocentrismo più egoista, una moderna e antica allo stesso tempo, versione del principio antropico che vede il mondo, l’universo intero fatto per il genere umano.

Studi e ricerche da diverso tempo stanno cercando di realizzare un sistema di archiviazione in grado di replicarsi, utilizzando come supporto il DNA dei batteri. Perché?

Dopo la nascita dei servizi di data streaming, dell’intelligenza artificiale, del cloud storage, delle piattaforme di social media e dell’ubiquità degli smartphone e degli smartwatch, ormai ci vogliono solo un paio di giorni per produrre cinque miliardi di gigabyte di contenuto digitale, equivalenti a tutte le informazioni digitali esistenti prima del 2003. Entro il 2025 il totale creato annualmente sarà di oltre 160 zettabyte (ZB = 10²¹ byte). Se la maggioranza dei dati non venisse cancellata, sovrapponendone di nuovi o eliminandoli, le riserve globali di silicio non sarebbero sufficienti per conservare in modo permanente tutti i dati che produciamo.

Ma il consenso scientifico e le stime attuali indicano che la densità di archiviazione teorica del DNA si avvicina a circa 455 exabyte per grammo, ovvero 455 milioni di gigabyte (10¹⁸ byte).

Agli inizi degli anni Duemila si cominciò a pensare al problema dell’archiviazione dei dati. Il problema non è solo l’enorme quantità di informazioni, ma anche il fatto che i mezzi di archiviazione non sono sicuri. Per migliaia di anni abbiamo sconfitto l’entropia lasciando tracce deliberate di ciò che sappiamo. Scrivere ci ha permesso di battere il tempo e di parlare al futuro, ma finora i materiali disponibili sono stati fragili: la pietra si erode, la carta si disintegra e persino la memoria elettronica si degrada. La vita, d’altro canto, è definita nella sua essenza dalla trasmissione sicura di informazioni nel tempo. E allora perché non convertire le quattro basi azotate del DNA in informazione binaria (con Adenina per “00”, Guanina per “01”, Citosina per “10” e Timina per “11”) e racchiuderla al sicuro nel genoma della materia vivente dove, in teoria, la si potrebbe recuperare in eterno? Peccato che, ad oggi, recuperare le informazioni significa anche contemporaneamente distruggerle: si poteva sequenziare il DNA solo una volta per recuperare le informazioni, dopodiché andava tutto distrutto. Si è in grado di leggere i dati, per quanto con qualche sporadico errore, ma così facendo di fatto si cancellano.

È quasi paradossale: c’è un’acuta ironia nel fatto che gli scienziati stiano prendendo in considerazione l’archiviazione nel DNA mentre la biodiversità globale sta crollando. È stato proprio il considerare le altre forme di vita come semplici risorse che ha portato a gran parte del disastro in cui ci troviamo; la nostra cura, con un deciso cambio di direzione e passo, dovrebbe essere diretta a incoraggiare un futuro praticabile per tutti gli esseri viventi, e invece abbiamo cominciato a rivolgerci alla vita per mettere al sicuro le nostre storie. E l’idea di affidare le cose a cui teniamo di più alle cure di microbi è altrettanto inquietante.

Conan the bacterium

Sicuramente ne avrete sentito parlare e visto i Tardigradi, simpatici animaletti pluricellulari che sembra abbiano proprietà magiche, potendo sopravvivere in condizioni inimmaginabili. Ma qui c’è qualcosa che va oltre.

Deinococcus radiodurans fu scoperto nel 1956, in una lattina di carne in scatola, in uno delle migliaia di casi di serendipità nella ricerca scientifica. Alcuni scienziati in Oregon stavano facendo esperimenti sul potenziale di conservazione dei raggi gamma quando individuarono un batterio che non riuscivano a sterilizzare. Il suo nome significa «terrificante cocco resistente alle radiazioni»; anche se  è vero che δεινός, dal greco, significa tremendo o terrificante, significa anche strano, singolare, straordinario. Terrificante o strano che sia può sopravvivere all’essiccazione estrema e a una dose di raggi gamma mille volte superiore a quella letale per gli esseri umani. Con un’esposizione tremila volte superiore a quella che ucciderebbe noi, il batterio risulta indebolito ma ancora vitale. Nel 2002 la NASA ne espose per sei minuti un campione a radiazioni solari ultraviolette a 300 chilometri di altezza, ma D. radiodurans tornò sulla Terra illeso. È sopravvissuto per più di un anno all’esterno della Stazione Spaziale Internazionale in orbita attorno alla Terra: in un ambiente che sembrava incompatibile con la vita per via dell’esposizione a dosi elevate di raggi UV, del vuoto, di fluttuazioni enormi della temperatura e di infinite altre minacce. C’è chi sostiene che si sia originato su Marte, e che sia arrivato sulla Terra a causa dell’impatto con un meteorite.

Lo hanno soprannominato “Conan the bacterium”, in assonanza col famoso personaggio cinematografico interpretato da Arnold Schwarzenegger.

La sua straordinaria resilienza è dovuta semplicemente alla sua forma. Il batterio consiste di quattro cellule organizzate in un comodo anello e assomiglia un po’ a dei panini. I danni da radiazioni spezzano il DNA, ma la forma ben stretta di D. radiodurans fa sì che il questo sia tenuto assieme anche una volta spezzato, permettendo al microbo di ripararsi in fretta. Per quanto si sa, non lo si può uccidere:  durerà sul pianeta fino a quando il Sole stesso diverrà una stella gigante rossa e qualsiasi forma di vita sulla Terra sarà stata cancellata. C’è tempo…

Tornando in tema. C’è qualcuno che sta cercando di usarlo come supporto biologico eterno per l’archiviazione dei dati di cui s’è scritto.

...e vi do un'altra notizia...
I mineralogisti sono giunti alla conclusione che oltre il quaranta per cento delle specie di minerali sulla Terra è in un modo o nell’altro biogenico, cioè dovuto all’azione diretta o indiretta di organismi viventi. Argomento trattato brevemente da Rober M. Hazen nel suo “Breve storia della Terra”, da me recensito e, più approfonditamente, da Philip Marsden nel suo "Sotto un cielo di metallo" (coming soon).

Post scriptum
Possiamo definire la scienza come l'arte di trovare modelli ricorrenti in natura.
La loro individuazione presuppone attente osservazioni, ovviamente condizionate dai nostri sensi. Da animali visivi basiamo la nostra percezione del mondo su quel che vediamo. E ciò che vediamo è a sua volta legato agli strumenti che abbiamo a disposizione: quindi la storia della scienza è anche la storia delle invenzioni che modificano la nostra percezione delle cose. Tuttavia, paradossalmente, l'invenzione di nuovi strumenti è vincolata a ciò che vediamo. Se non vediamo qualcosa tendiamo a ignorarla.
(Paul G. Falkowski)

Ecco perché per centinaia di anni anche la scienza ha ignorato i microbi.

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Riferimento bibliografico
Tracce. Alla ricerca dei fossili di domani. David Farrier, 2023

La Regina Rossa. Cosa c'entrano le pandemie con la crisi climatica?

Mers, Sars, Ebola, Marburgh, Nipah, Hendra, Sars-CoV-2: i nomi di altrettanti virus che evocano scenari pandemici che l’intera umanità, in questo mondo altamente globalizzato, ha sperimentato sia di recente che più di una volta in passato, con conseguenze disastrose.

Le pandemie sono conseguenze di processi globali molto grandi, non lineari, lenti e progressivi, e che nascono come risultato concentrato nel tempo e nello spazio, come possono altresì esserlo il riscaldamento climatico e la crisi ambientale, o il clima stesso. La mente umana, evolutasi per favorire l’adattamento con reazioni legate soprattutto al qui e ora, fatica ad afferrare questi processi. E la loro manifestazione è di solito improvvisa, con potente, devastante, provocando numeri enormi di vittime, che in apparenza sembrano inevitabili, imprevedibili. Ma non è così.

Fenomeni di questo tipo, così come un disastro ambientale, un’inondazione, un evento atmosferico estremo, un terremoto, il crollo di un ghiacciaio o una frana, non possono certamente essere predetti in termini di tempo e luogo esatti, ma possiamo calcolare il rischio, la probabilità di verificarsi di un evento avverso.  E nonostante ci siano i mezzi per effettuare questo calcolo piuttosto bene, non lo facciamo quasi mai (qui un approfondimento sul calcolo dei rischi). L’esempio migliore viene proprio dal calcolo del rischio sismico: non sappiamo quando ci sarà il prossimo, ma sappiamo che in alcune regioni il rischio sismico è elevato e dunque la prevenzione deve essere realizzata al meglio delle possibilità.

Non sono calamità, emergenze, sciagure o fenomeni paranormali e al di fuori della nostra portata e controllo, o quanto meno al di fuori della nostra capacità di conoscere. 

E soprattutto non sono né ribellioni della natura avversa, né punizioni divine. La Natura non è un ente morale che giudica e reagisce, argomento approfondito qui.

Aumentare l'aspettativa di vita non è sostenibile. Una pandemia, come fu quella di Covid-19, è assolutamente prevedibile (e in effetti David Quammen lo fece). In ogni ecosistema si tende al punto di equilibrio tra prede e predatori, se aumentano gli uni calano gli altri e viceversa. Chi preda l'essere umano? Oltre a sé stesso ovviamente, le malattie rappresentano il nostro predatore, con una ricerca del punto di equilibrio interrotto o alterato dalla medicina e dalla farmacologia, oltre che dalle maggiori o minori condizioni generali di vita.

Così anche la malattia non è un'imperfezione o un imprevedibile evento, ma fa parte della natura stessa agendo come un meccanismo in grado di mantenere il sistema complessivamente in equilibrio.

Ma la malattia non è un predatore naturale, non si muore ovunque nello stesso modo. I paesi ricchi possono guarire facilmente dalla polmonite un bambino, ma in altre parti del mondo si muore così, soffocati, a pochi mesi di vita. Non si può avere tutto da una parte quando dall'altra si muore per una sciocchezza.

Per quanto possa sembrare strano vale lo stesso per le pandemie o meglio, per il rischio pandemico. La recente pandemia da Sars-CoV-2, infatti, non è stata solo un problema scientifico e sanitario, affrontato come un'emergenza o una calamità, ma anche un problema ecologico.

Da un punto di vista evoluzionistico, la pandemia non è che l'ultimo capitolo di una storia molto più lunga iniziata circa tre miliardi di anni fa con la comparsa dei primi virus sul pianeta è segnata da alcune svolte decisive. La prima, circa 600 milioni di anni fa, quando dopo oltre due miliardi e mezzo di anni passati a lottare contro i batteri (un approfondimento qui), i virus si sono evoluti in modo tale da infettare anche gli organismi multicellulari come piante e animali. La seconda risale a poco più di 200.000 anni fa e coincide con la comparsa dei nostri primi antenati Homo sapiens in Africa. Infine la terza, la cosiddetta transizione neolitica che, al termine dell'ultima glaciazione 11.700 anni fa, portò alla domesticazione di alcuni animali e alla nostra sempre più stretta convivenza con loro e con i loro agenti patogeni.

Le traiettorie evolutive dei virus e della nostra specie si sono intrecciate in modo sempre più profondo, tanto che oggi sappiamo che ben l'8% del nostro DNA è di origine virale. In passato, infatti, alcuni retrovirus hanno infettato le cellule germinali dei nostri antenati, che sopravvivendo hanno trasmesso questo materiale genetico alle generazioni successive. Grazie a questi inserimenti dall’esterno di nuove componenti genetiche (questo meccanismo, utilizzato da miliardi di anni dai batteri, è stato raccontato qui), ha consentito col tempo a far sì che i virus diventassero parte di noi: alcuni geni di origine virale sono stati nel corso dell'evoluzione persino riutilizzati su funzioni essenziali per la nostra sopravvivenza, come ad esempio per lo sviluppo della placenta.

Ovviamente le differenze tra noi e i virus restano profonde aiutando a spiegare alcune dinamiche osservate anche durante l'ultima pandemia.

I virus, a differenza di animali complessi come Homo sapiens, sono «macchine darwiniane» quasi perfette. Devono fare una sola cosa nella vita: moltiplicarsi usando le cellule degli altri come veicoli di diffusione, hanno una struttura semplice ed efficiente, quale ad esempio una semplice capsula proteica che racchiude un filamento di RNA, e ciò permette loro di minimizzare le risorse biologiche necessarie per riuscire a infettare e replicarsi. I virus, in quanto parassiti obbligati, obbediscono a una sola e semplice logica: fare più copie possibili di se stessi utilizzando le cellule di altri organismi come mezzi. Il sogno di tutti i virus è fare il cosiddetto «salto di specie», Riuscire a infettare le cellule di nuovi ospiti, aprendo così una prateria sconfinata di nuove possibilità di replicazione.

Nel caso di Sars-CoV-2, Il salto di specie in Homo sapiens, molto probabilmente è avvenuto in un grande e promiscuo wet market, luoghi dove la promiscuità è altissima e le condizioni igieniche pessime; anche se non ancora del tutto chiarito ha avuto diversi passaggi e ricombinazioni a partire da un coronavirus di pipistrello. Il passaggio al genere umano ha permesso al virus di diffondersi in pochissimo tempo in tutto il mondo, ottenendo così un grande successo evolutivo fra quasi 8 miliardi di potenziali ospiti.

Inizia quindi a delinearsi il concetto di «rischio pandemico», continuamente presente e da non sottovalutare, come di recente visto nel caso dei contagi dal cosiddetto «vaiolo delle scimmie».

Come qualsiasi organismo sottoposto ad evoluzione per selezione naturale, ogni errore di copiatura del materiale genetico può determinare l'emersione di una nuova variante in grado di aumentare la capacità del virus di infettare nuove cellule, di replicarsi in modo più veloce ed efficiente, oppure di aggirare le nostre difese, portando così un nuovo ceppo al diffondersi e a sostituire gli altri; esattamente quanto visto nel caso delle numerose varianti del Sars-CoV-2. Grazie al processo darwiniano di mutazione casuale e selezione i virus possono continuare ad adattarsi per eludere le difese delle specie. Ogni nuova difesa introdotta dalla specie ospite produce infatti a sua volta una «pressione selettiva» sui virus, creando le condizioni affinché le mutazioni casuali che portano a una maggiore resistenza del virus abbiano successo e si diffondano.

Colgo l'occasione per ribadire un concetto: è del tutto errato dire e scrivere, come purtroppo hanno fatto anche alcuni scienziati, che il virus evolve strategie adattative «per» eludere i vaccini, o che i vaccini «causino» direttamente le mutazioni di resistenza. Nel primo caso si tratterebbe di un'evoluzione direzionata e intenzionale, cioè di una concezione finalistica del processo che è estranea alla scienza. Nel secondo caso si tratterebbe di un processo lamarckiano in cui la mutazione ereditabile è indotta direttamente dal cambiamento ambientale (il vaccino, rispetto al virus), ma così non è. Ciò che avviene è invece un classico processo darwiniano «variazionale», cioè di selezione e filtraggio ambientale di mutazioni spontanee.

Questo continuo gioco di mosse e contro mosse, adattamenti e contro-adattamenti tra una specie ospite e un patogeno, in biologia evoluzionistica è nota come «corsa della Regina Rossa» (la incontrammo anche qui) o corsa agli armamenti evolutiva.

Il fenomeno prende il nome da un passaggio del secondo capitolo di Attraverso lo specchio di Lewis Carroll, dove Alice osserva che, nonostante lei e la Regina Rossa abbiano corso parecchio, in realtà non si sono affatto spostate. La Regina Rossa, per nulla stupita, le risponde che è normale: «Qui, come vedi, correndo finché puoi, resti nello stesso posto. Se vuoi andare da qualche parte, devi correre almeno due volte più veloce di così!». Chi rimane fermo indietreggia, chi corre rimane fermo e per avanzare occorre correre il doppio.

La corsa della Regina Rossa racchiude un concetto importante: in un sistema dinamico bisogna muoversi per mantenere la posizione. Biologicamente parlando due specie antagoniste che vivono nello stesso ambiente (una pianta e il suo insetto impollinatore, ospiti e parassiti) tendono a co-evolvere per mantenere la propria posizione, ovvero «corrono» in senso evolutivo, sviluppando co-adattamenti reciproci solo per «rimanere ferme» l’una rispetto all’altra, e sopravvivere.

Ebbene, in questa corsa contro i virus, siamo noi mammiferi partire svantaggiati. Non solo i virus mutano assai più velocemente, ma quella umana è diventata a tutti gli effetti una specie ospite perfetta per i virus. Come i pipistrelli, anche noi siamo mammiferi molto mobili e sociali. Ma i pipistrelli i pipistrelli hanno evoluto una straordinaria capacità di bilanciare in modo efficace le reazioni di difesa e tolleranza ai virus e raramente il loro sistema immunitario eccede nella risposta.  Noi Homo sapiens non abbiamo invece la stessa capacità di modulare le crisi infiammatorie provocate da patogeni come un coronavirus, e possiamo subire una crisi sistemica. Per questo motivo, quando questi animali vengono infettati da virus per noi terribili come Mers, Sars, Ebola, Marburgh, Nipah, Hendra o Sars-CoV-2, difficilmente si ammalano in modo grave. E ciò non deve sorprendere: la corsa dei pipistrelli è in atto da ben 64 milioni di anni, distribuita su 1400 specie, contro la nostra unica specie presente sulla terra da appena 200.000 anni.

Oltre alle caratteristiche biologiche del virus, alla sua biodiversità (almeno 5.000 coronavirus diversi nella sola Cina) e alla sua estrema velocità di mutazione, se guardiamo alla nostra corsa contro gli agenti patogeni in generale, e non solo contro un determinato virus, vi sono diversi altri elementi a nostro discapito che non possiamo ignorare.

Questa è la ragione evolutiva profonda del rischio pandemico.

Negli ultimi due secoli la popolazione umana sul pianeta è cresciuta a ritmi vertiginosi e nel 2022 ha superato gli 8 miliardi di esseri umani, il doppio di quanti ce n'erano negli anni Settanta e più del quadruplo di quanti ce n'erano quando l'umanità fu colpita dalla precedente grande pandemia, quella dell'influenza spagnola, un secolo fa. Oggi la maggioranza assoluta di questa popolazione (54%) vive in centri urbani densamente popolati connessi tra loro a livello globale. Se da una parte questo consente di scambiare idee bene in come mai prima nella storia, dall'altra permette ai virus di diffondersi a grande velocità, imbarcandosi con i loro ospiti sui voli intercontinentali. Homo sapiens rappresenta quindi l'ospite ideale per i virus, sia perché mette a disposizione miliardi di individui tra loro vicini da infettare, ma anche perché, unica tra tutte le specie, è in grado di cambiare emisfero in pochissime ore.

La trasformazione dell’ambiente operata in modo drammatico nel corso degli ultimi secoli rappresenta un altro fattore di rischio cruciale. Ciò che i biologi chiamano «costruzione di nicchia», ovvero la modificazione dell’ambiente circostante da parte di una specie per adattarlo alle proprie esigenze, per Homo sapiens ha portato a trasformare il mondo in un posto meno ostile e più adatto alla nostra sopravvivenza: dal Neolitico in poi non abbiamo mai smesso di farlo, a livello planetario, pressoché ovunque, al punto che se escludiamo i ghiacciai, i quattro quinti delle terre emerse mostrano i segni più o meno profondi dell'influenza umana: appena il 20% del pianeta non presenta (ancora) segni di presenza umana. Siamo come castori fuori controllo. Come questi animali che, costruendo dighe, alterano in modo significativo l’ambiente circostante, creando specchi d’acqua ferma e generando nuove nicchie ecologiche per altri organismi, anche noi siamo ingegneri ecosistemici, non gli unici ovviamente, che trasmettono alle generazioni seguenti molto più che geni e culture: lasciamo loro anche un’eredità ecologica sotto forma di un ambiente alterato e diverso.

Ma i vantaggi a breve termine delle trasformazioni ambientali possono essere una trappola perché possono trasformarsi in svantaggi molto più significativi sul medio e lungo periodo a danno delle generazioni future. L’evoluzione non prevede il futuro: agisce solo sul presente e su ciò che ha a disposizione. Questo, ad esempio, è proprio il caso della crisi climatica in corso. La costruzione di una nicchia modellata esclusivamente sui bisogni presenti è pericolosa, anche dal punto di vista epidemiologico. Col clima che cambia, e con esso la statistica degli eventi meteorologici, infrastrutture e istituzioni atte gestire la variabilità del clima e progettate per rispondere alle diverse esigenze storiche, non sono più calibrate per ciò che ci aspetta. La distruzione miope dell’ambiente non solo inoltre costituisce un contributo al riscaldamento globale ma avvicina pericolosamente le specie animali portatrici di virus in grado di effettuare il «salto di specie», la zoonosi, cioè malattie trasmesse dagli animali all’uomo. Esiste una relazione profonda tra crisi ambientale e pandemie.

La distruzione sistematica delle foreste pluviali, a cominciare dall’Amazzonia, che continua a perdere foresta al ritmo di almeno 12.000 kmq l’anno (l’equivalente di 4.000 campi da calcio ogni giorno!), ha ridotto in modo drastico gli habitat di animali amplificatori di virus costringendoli a cercare cibo nelle zone abitate, e ogni volta che uno di questi animali selvatici entra in contatto con un essere umano esiste la possibilità che un virus finora ignoto faccia il temuto salto di specie. È già successo in Africa, dove tra il 2014 e il 2017 numerosi focolai di Ebola si ebbero proprio a causa del disboscamento progressivo.

La concentrazione di miliardi di animali in allevamenti intensivi, per soddisfare il bisogno di prodotti animali a basso costo, ha creato le condizioni ideali per la diffusione dei virus, ingaggiando una corsa della Regina Rossa sempre più veloce e competitiva.

Ciò vale anche per gli altri microbi: i batteri. A causa dell’abuso degli antibiotici questi stanno sviluppando forme di resistenza anche a cocktail di antibiotici, un rischio questo estremamente sottovalutato.

Infine, ma non la fine, altri comportamenti pericolosi sono legati al quarto traffico illegale più lucroso al mondo, dopo armi, droga ed esseri umani: quello della cattura e commercializzazione di animali esotici, destinati al consumo o all’utilizzo di loro parti per cosiddette medicine alternative o legati a riti e superstizioni altrettanto primitive.

In definitiva, un avversario già di suo estremamente pericoloso, corre ancora più veloce grazie alla costruzione di nicchie ecologiche antropiche, e ci costringe a correre ancora più velocemente per non perdere terreno, un terreno che è stato trasformato da noi stessi.

Le mutazioni sono casuali e si accumulano in modo direttamente proporzionale alla quantità di virus in circolazione. Appare ovvio che l’ultima cosa che va permessa è lasciare che il virus circoli liberamente in mezzo mondo. E’ quel che invece sta accadendo con Sars-CoV-2: nelle zone più povere del mondo miliardi di persone non hanno avuto accesso nemmeno alla prima dose, rendendo vane le promesse di equità vaccinale che vede i paesi progrediti fare scorta di vaccini che potrebbero rivelarsi inutili viste le continue variazioni. Ecco perché quest’ultima crisi pandemica si protrarrà per anni.

E tornando a quanto si diceva all’inizio, l’arma vincente in nostro possesso da opporre a questo quadro evolutivo ed ecologico, è ancora una volta la prevenzione. Proprio come quella antisismica, che nel nostro paese sembra esprimere finalmente i primi vagiti, come quella climatica, che continuiamo ad ignorare. Investire oggi per evitare problemi domani, con notevole risparmio economico: è stato dimostrato che fare prevenzione primaria in campo epidemiologico costerebbe un ventesimo rispetto ad un intervento tardivo su un agente patogeno che abbia già fatto il salto di specie.

La prevenzione non è un costo, ma un investimento per pagare molto meno dopo, impegnandosi eticamente a non scaricare sulle prossime generazioni il nostro debito ambientale. L’evoluzione non riguarda solo età remote di dinosauri e libellule giganti, ma più spesso parla al nostro presente.

Se sappiamo cosa sta succedendo, lo possiamo prevenire, e al resto possiamo adattarci. 

Che si tratti di rischio ambientale o rischio pandemico non ha importanza...anche perché i due aspetti, sono più legati di quanto si pensi

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Riferimento bibliografico
Telmo Pievani - La natura è più grande di noi

LUCA viveva negli oceani già 4,2 miliardi di anni fa

Lo scorso aprile avevo pubblicato un paio di post (qui e qui) dedicati a quanto ad oggi disponibile per formulare una teoria sull’origine della vita sulla Terra, che sia condivisibile e quanto più possibile sostenuta da evidenze.

Un nuovo studio ha permesso di stabilire che la forma ancestrale comune può essere retrodata a 4,2 miliardi di anni fa. Ovvero quanto definito appunto come LUCA, Last Universal Common Ancestor, comparsa poche centinaia di milioni di anni dopo la nascita del nostro pianeta.

Circa tre miliardi e mezzo di anni fa il primo qualcosa (in realtà forme batteriche già parecchio complesse nella loro semplicità rispetto alle successive) definibile come vivente ha fatto la sua comparsa sul nostro pianeta, e questo è quel che sappiamo.

Ma l’evoluzione era già in atto, dando vita ai 2,3 milioni di specie conosciute e catalogate ad oggi dalla scienza (2,3 milioni su un totale di specie viventi e vissute quasi inimmaginabile, qualcuno stima fino a 100 milioni di specie vissute finora): animali, piante, funghi e batteri, imparentati e interconnessi tra loro, e che oggi sono stati organizzati in un enorme e completo “albero della vita” o, più tecnicamente, un albero filogenetico. Questo modello evolutivo, un cespuglio intricatissimo a rappresentare l’evoluzione di forme di vita, ripercorso all’indietro nel tempo, porta inevitabilmente a constatare che, all’inizio, qualcosa di comune a tutti gli organismi, viventi o vissuti, sia esistito in un determinato momento, all’origine di tutta la Vita (con la V maiuscola, ad indicare il processo globale che ha portato dalla non-Vita ad ogni singola vita che ci circonda).

Ma prima? Quando è comparso LUCA?

Una nuova ricerca, pubblicata lo scorso 12 luglio su Nature, ipotizza che il periodo della comparsa di questo antenato comune, finora posto tra i 3,9 e i 4,1 miliardi di anni fa, sia in realtà retrodatabile a 4,2 miliardi di anni fa, i cui immediati discendenti sarebbero quindi sopravvissuti persino alla fase in cui la Terra subì un bombardamento meteoritico pressoché devastante.

Il più antico antenato comune degli esseri viventi sulla Terra non era molto diverso dai complessi batteri che esistono oggi, e viveva tra l’altro in un ecosistema insieme ad altre specie batteriche e di virus. A questo proposito, uno degli aspetti molto interessanti della ricerca è che possedeva un sistema immunitario primitivo, dimostrando così che anche 4,2 miliardi di anni fa, l’antenato era impegnato in una corsa agli armamenti con i virus: in altre parole, il meccanismo dell’evoluzione per selezione naturale era già in atto, come logico attendersi.

Qualsiasi forma di vita cellulare ha in comune con le altre alcune caratteristiche chiave: le proteine sono i loro elementi costitutivi, il DNA è quanto a disposizione per realizzarle con le stesse modalità di gestione e trasmissione dell’informazione e, non ultimo, la moneta energetica comune è data dall’ATP (adenosina trifosfato). Non sono coincidenze, ma la prova che tutta la Vita così come conosciuta oggi ha un’origine comune.

La vita è più antica di quel che sapevamo

Come predetto, prima di questo studio, si stimava che LUCA avesse avuto origine circa 3,9 miliardi di anni fa, considerando l’estrema difficoltà che comporta la datazione dei processi genetici avvenuti molto tempo fa. 

La nuova ricerca è riuscita a collocare con maggiore precisione questa sorta di protobatterio nel passato confrontando tutti i geni di 700 specie viventi di batteri e Archaea, microbi simili a batteri (ma che con essi hanno ben poco in comune) e che spesso vivono ambienti dalle caratteristiche estreme, ad altissime temperature o pressione, in acque acide o in assenza di ossigeno, definendone quindi la categoria di estremofili. La scelta di queste specie è dipesa dal convincimento che siano le forme di vita più antiche, mentre le cellule eucariote si sono evolute successivamente, molto probabilmente da meccanismi di assorbimento e simbiosi di forme batteriche all’interno di altre forme unicellulari dall'unione di questi due tipi di cellule, processi quindi di endosimbiosi (ne scrissi qui)

Contando le mutazioni (utilizzando quindi la tecnica del cosiddetto “orologio molecolare”) i ricercatori hanno contato i cambiamenti del genoma avvenuti nel tempo, soprattutto in quanto presente in 57 geni condivisi da tutte le 700 specie e, utilizzando il tasso di mutazione stimato, hanno calcolato quando LUCA è vissuto. La stima, come predetto, è 4,2 miliardi di anni fa. E non era solo.

Tra i 4,5 e i 4 miliardi di anni fa, durante il cosiddetto Adeano, la Terra era un luogo inospitale con oceani caldi e pochissimo ossigeno nell'atmosfera. Classificando i geni in base al ruolo che svolgono nella cellula, i ricercatori sono stati in grado di dedurre qualcosa sulle condizioni di vita e sul metabolismo dell’antenato comune.

Indubbiamente viveva negli oceani, vicino ad alcune sorgenti idrotermali, fonte di minerali e composti utili come catalizzatori e fonti energetiche, resistendo a temperature estremamente elevate. I processi “respiratori”, in un ambiente privo di ossigeno, erano demandati alla metabolizzazione di altre sostanze; ancora oggi molti batteri utilizzano questa forma di anaerobiosi, e infine utilizzavano sottoprodotti di altri organismi presenti nello stesso ambiente.

La prova che LUCA non era la sola forma vivente viene proprio dalla ricostruzione del suo metabolismo perché si è scoperto, sempre con confronti basati su sofisticate tecniche di genetica molecolare, che LUCA, per produrre energia, utilizzava materiale organico che altri microbi stavano già scomponendo, e ci sono prove sorprendenti che possedesse anche geni che potevano proteggerlo dalle infezioni virali.

Un ecosistema rigoglioso quindi, anche in un lontano passato, con risvolti e implicazioni interessanti su ciò che gli scienziati si aspettano di scoprire su altri pianeti.

La morale è che un pianeta, per poter ospitare forme di vita, potrebbe essere del tutto diverso e non necessariamente somigliare alla Terra, o ad uno dei suoi innumerevoli ambienti, così come la conosciamo oggi: è più che possibile ipotizzare forme di vita presenti in ambienti che, a parità di altre condizioni, sarebbero considerati del tutto inospitali rispetto ai nostri parametri.

Imprevedibilmente...

Stephen J. Gould, evoluzionista di Harvard, nel suo libro “La vita meravigliosa” sosteneva che, se potessimo riavvolgere il nastro dell'evoluzione della vita sulla Terra, e schiacciare play nuovamente, difficilmente otterremmo lo stesso film. Interrogarsi sul perché l’evoluzione biologica abbia seguito certe strade invece di altre è evidentemente di cruciale importanza perché mette in discussione l’origine dell’umanità stessa, ma insistere sul tema diventa presto troppo metafisico, per me. Preferisco concentrarmi sul colossale colpo di fortuna che ha portato fino a qui.

Questo post è in un certo modo collegato ad uno scritto successivamente, disponibile qui.

Il “cespuglio” evolutivo degli ominini.
In basso a destra l’appunto del genio intuitivo di Charles Darwin

Ormai è sempre più chiaro che la selezione naturale, così come per qualunque altra forma di vita, ha plasmato ogni aspetto della biologia umana. La selezione naturale, che agisce da gran maestro dell'evoluzione, implica che l'umanità non è stata pianificata da alcuna intelligenza superiore, ne è guidata verso alcun destino oltre le conseguenze delle nostre stesse azioni.

Il materiale umano è stato messo alla prova e rielaborato spesso in ognuna delle migliaia di generazioni succedutesi nel corso della sua storia geologica. Il successo per la nostra specie in evoluzione implica la sopravvivenza ogni ciclo riproduttivo. Un fallimento avrebbe come risultato un declino verso l'estinzione, che porrebbe così fine al gioco evolutivo. È già accaduto alla stragrande maggioranza delle altre specie, in molti casi davanti ai nostri occhi.

Lo stesso destino avrebbe potuto interessare i nostri antenati in un qualsiasi momento, negli ultimi sei milioni di anni. Come ogni altra specie che oggi sopravvive, la nostra è stata straordinariamente fortunata. Oltre il 98 percento delle specie evolutesi finora è scomparso, e queste specie sono state sostituite dalle numerose specie figlie dei sopravvissuti. Il risultato è stato l'instaurarsi di un equilibrio approssimativo tra estinzioni e comparsa di un certo numero di specie che si sono evolute passando da un'epoca alla seguente. La storia di ogni particolare linea di discendenza è un viaggio in un labirinto che cambia costantemente, irripetibile. Una volta sbagliata, un passo falso nell'evoluzione, perfino un solo ritardo nell'adattamento evolutivo, potrebbero essere fatali.

La durata media di una specie, tra i mammiferi nell'era cenozoica, ovvero nell'intervallo di tempo in cui sono vissuti i nostri antenati, è stata di circa mezzo milione di anni. La linea di discendenza che, alla fine, è giunta agli esseri umani anatomicamente moderni si è separata dall'antenato che condividiamo con gli scimpanzè, circa 7 milioni di anni fa. La sua fortuna dura da allora. Mentre nei tempi più duri le popolazioni preumane si sono ridotte, anche più volte, probabilmente a poche migliaia di individui, e molte delle specie a noi imparentate sono scomparse, la nostra linea di discendenza è riuscita a farsi strada nei sei milioni di anni del Quaternario, nonostante abbia rischiato a sua volta l'estinzione almeno una volta, quando, circa 70.000 anni fa, l’eruzione catastrofica del vulcano Toba in Indonesia indusse un cambiamento climatico tale da provocare la scomparsa della quasi totalità degli esseri umani che allora convivevano sulla Terra (sapiens, neanderthal, floresiensis, denisovani), riducendoli a poche migliaia di individui.

I punti salienti, dal bipedismo alla comparsa delle società complesse.
Si notino i periodi di convivenza di più specie

In questi 7 milioni di anni la nostra specie ha continuato a esistere come un'entità in perpetua evoluzione, lungo un complesso labirintico cespuglio. Occasionalmente, si è divisa in due o più specie che hanno continuato a evolvere: finché ne è rimasta soltanto una, quella che - per puro caso - è diventata Homo sapiens. Le altre specie sorelle hanno continuato a evolvere a loro volta divergendo dalla linea di discendenza preumana. Con il tempo, ognuna di queste si è estinta o si è separata a sua volta come specie a parte. Alla fine, però, sono tutte scomparse.

...

In evidenza, la linea nera, per le diverse specie, che divide un prima, lunghissimo, privo di crescita del cervello, da un dopo, in cui tutte le specie in breve tempo manifestano crescita esponenziale del cervello

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Riferimenti bibliografici.
Edward O. Wilson – La nascita della creatività. 2017
Per le immagini – Ripensare l’evoluzione umana. Telmo Pievani. 2019

Dissertazioni intorno all’origine della vita

L’adattamento dissipativo e altre cosucce…

Immagine di Shaila Fish per Quanta Magazine

Non è obiezione valida il fatto che la scienza non ha finora fatto luce sul problema di gran lunga superiore dell'essenza o dell'origine della vita. Chi può spiegare qual è l'essenza della forza di gravità? Nessuno oggi rifiuta di accettare i risultati conseguenti a questo ignoto elemento della forza, nonostante che Leibniz abbia in passato accusato Newton di introdurre "qualità occulte e miracoli nella filosofia".

Charles Darwin in "Origine delle specie", 1872

L’adattamento dissipativo

Un fisico teorico americano, Jeremy England, sulla base di analisi statistiche estremamente complesse, ha elaborato una serie di equazioni (una formula, insomma) che descrivono cosa accade ad un gruppo di atomi quando è soggetto ad una fonte di energia esterna e immerso in un ambiente caldo.

Se riportiamo tutto ciò all’ambiente caldo che potevano offrire gli oceani primordiali o la stessa atmosfera terrestre più o meno 4 miliardi di anni fa, e consideriamo il Sole la fonte di energia illimitata necessaria (illimitata almeno dal punto di vista della vita), la formula di England potrebbe descrivere cosa è accaduto durante la cosiddetta abiogenesi, ovvero durante i processi che hanno dato origine alla Vita (con la maiuscola, come spiegato nel mio post precedente).

Ma cosa predice questa formula? Che nelle suddette condizioni gli atomi e le molecole semplici tendono inevitabilmente a strutturarsi in modalità complessa crescente, a formare quindi, autonomamente, molecole via via più complesse aventi inoltre la straordinaria capacità di catturare energia e dissiparla in entropia. In sintesi: lasciate un gruppo di atomi al Sole e in breve tempo potreste avere amminoacidi, lipidi, nucleotidi ed altre molecole fondamentali: i mattoni della Vita.

Il processo è ovviamente abbastanza più complesso e tempo fa, in un mio post, avevo trattato brevemente questa sorta di spontaneità nella formazione di composti via via più complessi. In altre parole, sulla Terra, ai primordi, c’era quanto necessario, sia nativo che sicuramente portato dallo spazio esterno a bordo degli asteroidi che impattavano col pianeta.

England ha definito tutto ciò adattamento dissipativo o adattamento guidato dalla dissipazione, ovvero dal processo di dispersione dell’energia nell’ambiente circostante (processo noto anche come dissipamento, o distribuzione). Uno dei tanti aspetti dell’inesorabile ed inevitabile “Secondo principio della termodinamica”.

Questa teoria considera quindi l’origine della vita come un risultato inevitabile della termodinamica.

L’esistenza della vita, quindi, non sarebbe un mistero o un colpo di fortuna, ma deriverebbe piuttosto da principi fisici generali.

Inevitabile?

Una volta che il processo è iniziato, spinto da una sorgente di energia, la materia grezza tende inesorabilmente a organizzarsi e ad acquistare le caratteristiche fisiche associate con la Vita. Quello che spinge gli atomi in questa corsa è una tendenza intrinseca della materia, in talune circostanze, (ampia disponibilità di energia e ambiente caldo), a organizzarsi per consumare sempre più energia per dissiparla in entropia. Per far questo, gli atomi devono dar luogo a strutture sempre più complesse, quelle che sono alla base della Vita. La conseguenza è che il processo diventa sempre più efficiente e più veloce, come se si sostenesse e si autoalimentasse. In altre parole, al verificarsi di certe condizioni, si manifesta una caratteristica intrinseca della materia, cioè quella di evolvere in forme molecolari di Vita. Ovviamente non stiamo ancora parlando di organismi ma delle molecole alla base della Vita, cioè del processo di abiogenesi. Il processo formazione di molecole utili, innanzi tutto autoreplicanti, non sarebbe quindi puramente casuale, bensì guidato da una forza che accelera di continuo.

Una delle implicazioni di questa teoria è che verrebbe risolto anche un altro problema, quello del tempo a disposizione affinché tutto questo possa essersi verificato, in un lasso di tempo complessivamente piuttosto breve, rispetto all’età della Terra.

Se gli anni vi sembrano pochi…

Abbiamo visto nel post precedente, che in poche (in termini geologici) centinaia di milioni di anni, in un periodo compreso tra i 4, o poco più, e i 3,5 miliardi di anni fa, si è passati dalla non-Vita alla Vita. E’ un tempo sufficientemente lungo a consentire tutto ciò? Qualcuno dice di no. Quello del tempo insufficiente è sempre stato uno dei crucci maggiori anche agli albori dell’evoluzionismo: lo stesso Darwin sapeva che, per spiegare l’estrema variabilità della Vita, la Terra avrebbe dovuto essere estremamente più vecchia di quel che si reputava allora.

Non molto tempo fa, una delle figure più autorevoli della moderna biologia, Lynn Margulis, si è cimentata in una serie di calcoli. Scriveva:

«Se c'è stata qualche forma di processo pre-cellulare, esso deve essere originato dall'assemblaggio casuale di aminoacidi o nucleotidi. Tra tutti questi eventi casuali, uno in maniera fortunosa deve aver portato alla formazione di un gene o di una proteina con qualche forma di vantaggio rispetto alle altre forme casuali. Quanto tempo ci sarebbe voluto? Facendo un po’ di utili assunzioni, una proteina (o gene) simile si sarebbe formata una volta ogni 10⁵⁰⁰ volte che si formava una proteina casuale. Cioè ci sarebbero voluti 10⁵⁰⁰ tentativi per formare una proteina/gene “utile”.»

A conti fatti, che qui omettiamo, il tempo necessario affinché ciò sarebbe potuto accadere è di circa 10⁴⁵⁰ anni.

Un numero inimmaginabile. L’Universo ha 1,4x10¹⁰ anni, stando alla teoria cosmologica oggi più accreditata ovvero, un ordine di grandezza di 10⁴⁴⁰ volte maggiore dell’età stessa dell’Universo per avere un qualsiasi primo gene (o proteina) utile.

“1” seguito da 440 zeri: pressoché impossibile.

Anche ipotizzando che abbiano ragione coloro i quali sostengono che la Vita sulla Terra abbia origine extraterrestre (panspermia, che è una teoria tutt’altro che frutto di una qualche pseudo-scienza) il problema del tempo non viene risolto, ma solo spostato dalla Terra allo spazio, dove ci sarebbe voluto esattamente lo stesso tempo. E anche se nello spazio avrebbero potuto esserci condizioni chimiche e fisiche tali da accorciare il tempo necessario, sempre in base al calcolo originario, una riduzione di un fattore 10⁴⁴⁰ appare decisamente difficile da immaginare, lo stesso dicasi ipotizzando che il calcolo sia corretto ma che non lo siano le assunzioni fatte e i parametri usati per effettuarlo: uno scenario plausibile che possa accorciare il tempo di 10⁴⁴⁰ è altrettanto inimmaginabile.

Lasciamo da parte le speculazioni, anche se scientificamente supportate in teoria, di multiversi, cicli infiniti di nascita, morte, rinascita di infiniti universi. Adottare l’infinito (qui un vecchio mio post) metterebbe a disposizione altrettante possibilità e quel fattore impossibile diverrebbe forse possibile, ma paradossale. Una singolarità che i fisici non amano.

Eppur ci siamo!

«Il nostro numero è uscito alla roulette: perché dunque non dovremmo avvertire l’eccezionalità della nostra condizione, proprio allo stesso modo di colui che ha appena vinto un miliardo?» (Jacques Monod).

Poi c’è tutta la faccenda del cosiddetto principio antropico. Siamo qui e stiamo qui a parlarne, evidentemente l’evento così inimmaginabile è accaduto. Nulla esclude che la remotissima probabilità pari a una volta su 10⁵⁰⁰ possa essersi verificata nei primi tentativi, addirittura al primo! I più rigidi obietteranno che sarebbe un evento quasi impossibile ma la risposta è inconfutabile: se stiamo qui a parlarne è proprio perché l’impossibile è accaduto, altrimenti non saremmo qui. Attenzione però. Il disagio che si prova con una spiegazione del genere è normale: in realtà la cosa non spiega nulla, ribadisce soltanto, in forma diversa, quel che vorrebbe spiegare: la chiamano tautologia. A questo punto tanto varrebbe chiamare in causa una qualche forma di intervento divino.

Francis Crick, molto più razionalmente, scrisse nel suo libro “L’origine della vita”:

«Un uomo onesto, munito di tutte le conoscenze attuali, può solo affermare che […] l’origine della vita appare quasi un miracolo […]. Ma questa considerazione non è una ragione valida per credere che la vita non ha avuto origine sulla Terra, utilizzando una sequenza coerente di comuni reazioni chimiche.
Il tempo a disposizione è stato troppo lungo, i vari microambienti presenti sulla superficie della Terra troppo diversi, le possibilità chimiche troppo numerose, la nostra conoscenza e la nostra immaginazione troppo labili per permettere di decifrare esattamente come l’origine della vita ha potuto, o non ha potuto, aver luogo tanto tempo fa, in particolare perché non abbiamo dati sperimentali di quel periodo per verificare le nostre idee.»

Chiudiamo il cerchio

A quanto pare la teoria di England fornisce la spiegazione cercata, qualcosa di plausibile che spieghi che le cose non sono state guidate unicamente dal caso. Un qualcosa che ci permetta di pensare che il calcolo della Margulis non si applica all’abiogenesi perché questa non è determinata in maniera puramente casuale. Senza introdurre entità più o meno metafisiche, perché nella scienza ciò non è ammissibile e dobbiamo invece trovare leggi, regole e logiche compatibili con le leggi dell’Universo per fornire delle ipotesi.

Ogni tanto spunta fuori qualcuno che afferma che gli esseri viventi violano il “Secondo principio della termodinamica”: semplificando, e con riferimento alla riproduzione sessuata, dalla fusione di un paio di cellule, maschile e femminile, organizzazione e complessità vanno via via aumentando per tutto il corso della vita: ma un organismo vivente non è un sistema chiuso, c’è all’origine del suo apparente violare le leggi dell’entropia, la fruizione continua di energia. Un sistema semplice formato da una pianta, dal Sole e dall’Universo tutto ne è la prova: è grazie al fluire continuo dell’energia radiante dal Sole che la pianta sintetizza quanto occorre per crescere e sostenersi, e se al posto della pianta inseriamo la Vita tutta avremo che gli animali erbivori mangiando le piante avranno tutto ciò che serve loro per costruirsi; i carnivori mangeranno gli erbivori e ne estrarranno energia e materia loro necessaria per costruirsi. Se il sistema Vita mantiene sempre alta la propria energia e quindi bassa la propria entropia è perché la fonte primaria di energia è il Sole, una fonte pressoché inesauribile dal punto di vista della Vita.

Quella tra Vita e termodinamica è quindi una contraddizione apparente.

Inoltre tutte le specie viventi dissipano calore, cioè energia, e altre forme di materiali disordinati, in un processo la cui efficienza non può ovviamente essere del 100 percento, fino al termine del proprio ciclo vitale, laddove con la morte ogni organismo si decompone e restituisce al disordine tutto l’ordine costruito in precedenza.

La Vita è un’isola privilegiata dove è concesso, temporaneamente, un accumulo di energia. Ma alla fine vince l’entropia.

Possiamo dunque definire le caratteristiche fondamentali che definiscono la Vita.

1. Capacità di catturare e immagazzinare energia dall’ambiente.
2. Capacità di disperderla, ovvero dissiparla, nell’ambiente sotto forma di calore.

Se England ha messo nero su bianco che, con le debite condizioni, atomi e molecole riescono a formare molecole che sono sempre più vive è palese che se c’è qualcosa che sa fare le due cose suddette molto meglio di un comune ammasso di atomi sono proprio le forme di Vita, indipendentemente dalla loro complessità.

Ma c’è ancora tantissimo da fare. La teoria di England, ancorché teoricamente esatta, al momento è solo una serie di equazioni, di dimostrazioni matematiche effettuate in sistemi matematici modello. Grandi attenzioni e altrettante critiche corredano le necessarie evidenze sperimentali anche se qualcosa inizia a muoversi. Inoltre l’adattamento dissipativo descrive cosa accade ma non lo spiega: non è noto da cosa dipenda questa tendenza intrinseca della materia ad auto-organizzarsi.

Dopo tutto, occuparsi spesso del come piuttosto che del perché delle cose è compito preciso della scienza e del suo metodo. Non è un limite. Ci sono oggetti fisici conosciutissimi su cui, a tutt’oggi, le idee sono tutt’altro che chiare. Mettereste in discussione la gravità? L’energia? Il tempo? Eppure anche essendo in grado di misurarle, sapere cosa fanno, conoscerne le proprietà, dire esattamente cosa siano, nessuno ancora lo sa.

L’uovo e la gallina

In questo paragrafo farò uso di nomi e sigle che meriterebbero ognuna pagine di approfondimento: ma quel che ci interessa è il quadro complessivo, lasciando quindi a voi la voglia e la volontà di approfondire o di ripassare il manuale di biologia delle superiori. Qualcuno ha detto che «la gallina è solo un mezzo con cui un uovo fa un altro uovo» e qui stiamo parlando di livelli di complessità inimmaginabili rispetto a quelli che vengono comunemente definiti come “mattoni” della Vita: essenzialmente nucleotidi, geni/proteine, metalli catalizzanti, lipidi, in un ammasso informe di molecole in continua trasformazione e polimerizzazione e laddove, alcuni, divennero auto-replicanti e auto-sostenenti.

Ma anche per la Vita più semplice che conosciamo, come un batterio con qualche centinaio di geni appena (e ne esistono), occorrono sistemi autoreplicativi che contengono l’informazione (acidi nucleici, DNA e RNA), un metabolismo capace di produrre molecole ed energia (tutto basato su enzimi, ovvero su proteine) e, infine, membrane, formate da lipidi, per separare la cellula dal resto del mondo, proteggendone il contenuto ma al tempo stesso in grado di selezionare cose che possono entrare da cose che devono uscire.

E serve tutto insieme. In una ipersemplificazione, si veda anche il diagramma precedente, il DNA, per mezzo dell’RNA, assembla le proteine a garantire le funzioni cellulari, ma il tutto è sottoposto al metabolismo energetico e alle funzioni di replicazione, traduzione e trascrizione effettuate da proteine specifiche, enzimi compresi. Insomma se fosse nato prima l’uovo, l’RNA (la famosa teoria del RNA World, ne scrissi qui), un candidato ideale dato la sua versatilità e flessibilità, come avrebbe questi potuto generare codice utile ad assemblare proteine…senza le proteine necessarie? E se fossero nati prima gli amminoacidi a formare proteine, cosa avrebbe potuto codificarle correttamente senza gli acidi nucleici?

In laboratorio, o come amano dire i biologi in vitro, si è riusciti a simulare e creare le condizioni prebiotiche necessarie a produrre tutti i componenti, ma un gruppo alla volta. Ovvero, in tutte le sintesi prebiotiche, ottenute in laboratorio, le condizioni sono talmente diverse tra loro da essere reciprocamente incompatibili. Se si fanno amminoacidi non c’è verso in quelle condizioni che si facciano nucleotidi o lipidi, e così via.

Le condizioni per fare tutto insieme per moltissimo tempo non sono mai state ottenute e questo ha spinto a pensare che, nel mondo reale, uno dei sistemi dovesse essersi sviluppato per primo, a seguire gli altri, in una sorta di gerarchia necessaria.

- L’evoluzione necessita di autoreplicatori che contengano l’informazione per la Vita, quindi la replicazione deve essere emersa per prima (replication first).
- La cosa non si può fare senza metabolismo ed energia, quindi il metabolismo deve essere venuto per primo (metabolism first).
- E come fai una cellula senza separarla dal resto? I lipidi devono essere venuti per primi (lipid first).

E come avrebbe fatto un sistema ad inventare gli altri? Se le condizioni nelle quali si sviluppa il primo evento, uno qualsiasi tra quelli elencati, sono incompatibili con lo sviluppo del secondo, come si fa ad arrivare ad avere tutte le componenti necessarie?

Tutti primi, nessun primo. Non ha senso porsi la domanda paradossale, se sia nato prima l’uovo o la gallina, perché alla fine, o meglio all’inizio, uovo e gallina sono la stessa cosa.

Out of the blue

Fortunatamente è arrivato un altro pilastro della moderna biologia: John Sutherland. Abbandonando l’assunto che occorrono condizioni diverse per generare i diversi componenti, e non accontentandosi di accettare l’idea che le sintesi prebiotiche dei vari mattoni siano incompatibili tra loro è riuscito a creare le condizioni per farli tutti insieme, o almeno per farne un buon numero. Partendo da due soli elementi, probabilmente disponibili sulla terra prebiotica (essenzialmente acido cianidrico e acido solfidrico, HCN e H₂S), associati a quanto già presente, e utilizzando raggi UV come unica sorgente di energia, lo scienziato ha dimostrato l'esistenza di una serie complessa di reazioni che possono portare alla sintesi di aminoacidi (12 dei 20 esistenti in natura), nucleotidi (2 su 4) e una molecola precursore dei lipidi. Tutti allo stesso tempo e dallo stesso ambiente! Ha inoltre dimostrato che il processo può essere accelerato in presenza di rame, stante il ben conosciuto ruolo di catalizzatore che possono avere i metalli, ruolo sicuramente presente quando le proteine enzimatiche non erano ancora sviluppate: enzimi che oggi spesso contengono al loro interno atomi di vari metalli.

I lavori di Sutherland descrivono uno scenario nuovo, impensato fino a poco tempo fa. Un pianeta reduce da una catastrofe cosmica, l’ultimo grande bombardamento meteoritico subito, ribollente di pozze acide, con un’atmosfera rarefatta e tossica e bersagliato da letali radiazioni UV: ma tutto è pronto per dar luogo alla sintesi simultanea di tutte le molecole della Vita. E, come la chimica dimostra, il fatto che tutto sia pronto significa semplicemente che avviene.

L’acido cianidrico, una delle componenti fondamentali, in tedesco è noto come “acido blu”. Ecco perché Sutherland ha denominato il suo modello Out of the blue, giocando con la traduzione letterale “che viene fuori dal blu” e col reale significato “che accade inaspettatamente”.

Riassunto delle puntate precedenti, giusto qualche centinaio di milioni di anni

Il 1° febbraio 1871, Charles Darwin scrisse al suo amico e corrispondente Joseph Hooker, discutendo la sua ipotesi sull’origine della vita:

«Ma se (e che grande se) potessimo concepire in un piccolo stagno caldo con tutti i tipi di sali di ammonio e fosforo, – luce, calore, elettricità, ecc. – presenti, che un composto proteico fosse chimicamente formato, pronto per subire trasformazioni ancora più complesse, oggi tale materia verrebbe istantaneamente divorata, o assorbita, cosa che non sarebbe avvenuta prima che si formassero gli esseri viventi.” (Charles Darwin)

L’intuizione fenomenale del grande scienziato ricorda quel che molti avranno certamente sentito nominare: il cosiddetto brodo primordiale, che dovette essere però qualcosa di ben più complesso del miscuglio usato da Miller e Urey nel loro famoso esperimento, nel quale galleggiavano poche molecole elementari in attesa di qualche scarica elettrica. Era più probabilmente un minestrone nel quale avvenivano reazioni chimiche, catalizzate da metalli e sostenute da energia disponibile in abbondanza.

Nel corso di queste reazioni prendevano forma i mattoni della Vita, e forse si formavano contemporaneamente senza che un sistema dovesse necessariamente precederne un altro. L’assemblaggio di alcuni di queste mattoni (i nucleotidi) potrebbe aver portato alla formazione delle prime molecole in grado di replicarsi. Ma oltre a queste emergevano circuiti proto-metabolici, anch’essi capaci di autosostenersi e forse anche di autoreplicarsi. E piccole proteine (i peptidi) che potrebbero aver contribuito all’autoreplicazione delle prime forme di RNA che a loro volta fornivano supporto a queste. Il tutto in una sorta di co-evoluzione.

Man mano che le reazioni procedevano diventavano sempre più complesse, al punto di dare il via alla produzione su scala planetaria. La svolta avvenne quando alcuni RNA acquisirono la possibilità di controllare e direzionare la sintesi delle proteine. L’equilibrio di mutua assistenza si ruppe e si stabilirono le prime gerarchie di sintesi, in cui l’RNA prese il controllo delle proteine così come stabilito dal famoso dogma centrale della biologia molecolare. A questo punto le condizioni per avere il mondo a RNA erano disponibili: a partire da questo, la Vita.

Un’interessante alternativa, o forse un percorso in parallelo, ad uno sviluppo sulla superfice della Terra esposta agli agenti atmosferici, è data dalle ricerche condotte intorno agli ambienti dei cosiddetti camini idrotermali, sia quelli delle profondità oceaniche che quelli più superficiali. Questi potrebbero aver fornito le condizioni necessarie affinché i mattoni fondamentali potessero essere prodotti e successivamente organizzati in livelli di complessità crescenti, fino ai primi organismi unicellulari appena abbozzati: niente più che una membrana lipidica che racchiude un genoma primitivo, costituito da DNA, qualche proteina e l’immancabile RNA. Probabilmente una rete di organismi che si scambiavano pezzi di codice genetico per mezzo del “Trasferimento genico orizzontale” (vedi qui), a formare un insieme di LUCA, Last Universal Common Ancestor, di cui abbiamo scritto nel mio post precedente: un ammasso confuso di organismi indistinguibili che si sono poi evoluti seguendo modelli interdipendenti.

E’ successo davvero?

Per ora sono ipotesi avvincenti e anche se suffragate da alcune evidenze sperimentali non sappiamo ancora se tutto ciò sia avvenuto davvero. Molte delle scoperte sembrano portare in questa direzione e, ribadiamolo, non ci sono mai stati un uovo e una gallina. L’uovo e la gallina sono la stessa cosa. Se c’è stata una sorta di discontinuità nel passaggio tra Vita e non-Vita è questa una comodità arbitraria. In realtà sembra proprio che ancora una volta natura non facit saltus, e in una progressione graduale con passaggi appena distinguibili l’uno dall’altro, la materia sia andata continuamente trasformandosi.

La ricerca del primo vivente, antecedente a LUCA, continua, inarrestabile, soprattutto grazie al lavoro del team di Jack Szostak che spera di ottenere in laboratorio un giorno la prima cellula autoreplicante con genoma costituito da RNA: sarebbe la specie più primitiva di ogni altro essere vivente sulla Terra, una scoperta monumentale. Per molti il problema dell’origine della Vita sarà in gran parte risolto.

Ma, citando Enrico Fermi, «è questo il modo in cui potrebbe essere avvenuto, o è davvero successo così?».

Carl Sagan ricordava quanto accadde durante un dibattito pubblico nel 1960. Qualcuno chiese agli scienziati quando avrebbero risolto il problema dell’origine della Vita, riproducendo il processo in provetta. Uno degli oratori rispose che ci sarebbero voluti almeno altri 1000 anni. Il secondo 300. Il numero continuò a scendere finché uno degli scienziati affermò che era già stato fatto.

A seconda del punto di vista la risposta a come potrebbe essersi formata la Vita è sempre stata dietro l’angolo oppure talmente complessa non poter mai essere davvero trovata.

Ma la scienza non smetterà mai di cercare una risposta e anche se tuttora ignota, ancora una volta la scienza ci ha raccontato qualcosa sulla sua stessa natura e anche su quella di noi stessi.

«La Natura, spiegata in tutta la sua estensione, ci presenta un quadro immenso, in cui tutti gli ordini degli esseri sono rappresentati da una catena, che regge un seguito continuo d’oggetti vicini, e simili sufficientemente, perché le loro differenze sieno difficili da comprendere.» (Georges-Louis Leclerc, conte di Buffon, 1770).

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Riferimenti bibliografici.

Breve storia della creazione. Bill Mesler e James Cleaves II. Bollati Boringhieri. 2016.
La vita inevitabile. Pier Paolo Di Fiore. Codice. 2022
I motori della vita. Paul Falkowski. Bollati Boringhieri. 2015
Breve storia della Terra. Robert M. Hazen. Il Saggiatore. 2012