Quando la vita iniziò sulla Terra

Se fossi arrivato nel nostro Sistema Solare subito dopo la sua formazione, avresti visto uno spettacolo dall’aspetto completamente estraneo.

Il nostro Sole avrebbe avuto all’incirca la stessa massa che ha oggi ma avrebbe avuto solo l’80% dell’attuale luminosità, poiché le stelle si riscaldano man mano che invecchiano.

Dei quattro mondi rocciosi interni, Venere, la Terra e Marte, sarebbe parsi molto simili tra loro, con atmosfere sottili, acqua liquida sulla loro superficie e gli ingredienti organici in grado di dare origine alla vita.

Anche se non sappiamo ancora se la vita abbia mai preso piede su Venere o su Marte, sappiamo che, entro i primo 500 milioni di anni dalla sua formazione, sulla Terra c’erano già organismi che vivevano sulla sua superficie.

Dopo miliardi di anni di evoluzione cosmica che hanno dato origine agli elementi, alle molecole e alle condizioni necessarie affinché la vita come la conosciamo si sviluppi, il nostro pianeta è diventato quello in cui non solo è comparsa, ma ha prosperato.

Al meglio delle nostre conoscenze scientifiche, ecco cosa accade in quei primi momenti.

La vita come la conosciamo ha alcune proprietà su cui tutti sono d’accordo.

Mentre la vita sulla Terra coinvolge la chimica a base di carbonio (che richiede carbonio, ossigeno, azoto, idrogeno e molti altri elementi come fosforo, rame, ferro, zolfo e così via) e si basa sull’acqua liquida, altre combinazioni di elementi e molecole possono essere possibili.

Le quattro proprietà generali condivise da tutta la vita, tuttavia, sono le seguenti:

1. 1. La vita ha un metabolismo, che serve a raccogliere energia/risorse da una fonte esterna per il proprio uso.
   2. La vita risponde agli stimoli esterni dal suo ambiente e modifica di conseguenza il suo comportamento.
   3. La vita può crescere, adattarsi al suo ambiente, o può evolvere in altro modo dalla sua forma attuale in una diversa.
   4. E la vita può riprodursi, creando una prole vitale che nasce dai suoi stessi processi interni.

Tutti e quattro questi fattori devono essere presenti, simultaneamente, affinché una popolazione di organismi possa essere considerata viva.

Fiocchi di neve e cristalli possono crescere e riprodursi, ma la loro mancanza di metabolismo impedisce loro di essere classificati come vivi.

Le proteine ​​possono avere un metabolismo ed essere in grado di riprodursi, ma non rispondono a stimoli esterni né alterano il comportamento in base a ciò che incontrano.

Anche i virus, considerati organismi posti proprio al confine tra vita e non vita, possono riprodursi, ma solo infettando altre cellule viventi, mettendo in dubbio se siano classificabili come viventi o non viventi.

Molti materiali organici – composti chimici come zuccheri, amminoacidi, formiato di etile e persino complessi come gli idrocarburi policiclici aromatici – si trovano nello spazio interstellare, negli asteroidi ed erano abbondanti sulla Terra primordiale. Ma non abbiamo prove che la vita sia iniziata prima della formazione della Terra.

L’ipotesi principale è che la Terra si sia formata con questi ingredienti grezzi su di essa, e forse molti altri. Forse i nucleotidi erano comuni; forse proteine ​​e frammenti proteici venivano preassemblati; forse strati e doppi strati lipidici potrebbero formarsi spontaneamente in un ambiente acquoso. Per passare dai precursori della vita alla vita reale, tuttavia, si ritiene che fosse necessario un ambiente adatto.

I tre pianeti con condizioni ambientali favorevoli – Venere, Terra e Marte – probabilmente avevano tutti un livello ragionevole di gravità superficiale, atmosfere sottili, acqua liquida sulle loro superfici e queste molecole di precursori biochimici.

L’unica cosa che la Terra aveva che gli altri due pianeti probabilmente non avevano, tuttavia, era una Luna. Mentre tutti e tre i mondi probabilmente hanno avuto la possibilità di formare la vita per la prima volta, la nostra Luna ha dato alla Terra una possibilità che gli altri mondi potrebbero non aver avuto.

La quantità di acqua presente su questi primi pianeti era molto probabilmente sufficiente per creare oceani, mari, laghi e fiumi, ma non abbastanza per coprirli completamente di acqua liquida. Ciò significa che tutti avevano continenti e oceani, con pozze di marea: regioni in cui l’acqua può esistere stabilmente sulla terraferma ed essere soggetta a tutti i tipi di gradienti energetici.

La luce del sole, l’ombra e la notte, i cicli di evaporazione e concentrazione, il flusso di fluidi in presenza di minerali porosi ed i gradienti di attività dell’acqua avrebbero potuto fornire opportunità alle molecole di legarsi insieme in modi nuovi e interessanti.

Gli effetti delle maree sono indubbiamente potenziati dalla Luna, ma tutti questi mondi possedevano maree dovute al Sole. Tuttavia, c’è un’ulteriore fonte di energia che la Terra possiede e che probabilmente ha contribuito all’origine della vita, che potrebbe non essere stata così spettacolare su Venere o Marte.

Quest’ultimo fattore è l’attività termica dall’interno del pianeta. Sul fondo degli oceani, le bocche idrotermali sono hotspot geologici che sono luoghi candidati eccellenti per la nascita della vita. Ancora oggi ospitano organismi noti come estremofili: batteri e altre forme di vita in grado di resistere alle temperature che tipicamente rompono i legami molecolari associati ai processi vitali.

Queste prese d’aria contengono enormi gradienti energetici e gradienti chimici, dove l’acqua di sfiato estremamente alcalina si mescola con l’acqua dell’oceano acida e ricca di acido carbonico.

Infine, questi sfiati contengono sia ioni sodio che potassio, nonché strutture di carbonato di calcio essenziali per la formazione delle prime cellule. Il fatto che la vita esista in ambienti come questo oggi ci indica che mondi come Europa o Encelado potrebbero essere ulteriori potenziali case per la vita nel Sistema Solare.

Bocche idrotermali. – PROGRAMMA DI VENTILAZIONE NOAA/PMEL

Ma forse il luogo più probabile per l’inizio della vita sulla Terra è il migliore di tutti i mondi: i campi idrotermali. L’attività vulcanica non si verifica solo sotto gli oceani, ma anche sulla terraferma. Sotto le aree di acqua dolce, queste aree vulcanicamente attive forniscono un’ulteriore fonte di calore ed energia che può stabilizzare le temperature e fornire un gradiente energetico.

Inoltre, questi luoghi consentono ancora cicli di evaporazione/concentrazione, forniscono un ambiente confinato che consente l’accumulo degli ingredienti giusti e permettono un ciclo di esposizione luce solare/notte.

Sulla Terra, possiamo essere certi che pozze di marea, bocche idrotermali e campi idrotermali erano piuttosto comuni. Mentre le molecole precursori hanno certamente avuto origine al di fuori della Terra, è probabile che qui sul nostro pianeta si sia verificata spontaneamente la trasformazione della non vita in vita.

Nel tempo, la Terra è cambiata enormemente, così come gli organismi viventi sul nostro pianeta. Non sappiamo se la vita sia sorta una volta, più di una volta, in un unico luogo o in più luoghi diversi. Quello che sappiamo, tuttavia, è che se ricostruiamo l’albero evolutivo di ogni organismo esistente trovato oggi sulla Terra, tutti condividono lo stesso antenato.

Studiando i genomi degli organismi esistenti che si trovano oggi nel nostro mondo, i biologi possono ricostruire la scala temporale di ciò che è noto come LUCA: l’ultimo antenato comune universale della vita sulla Terra.

Quando la Terra aveva meno di 1 miliardo di anni, la vita aveva già la capacità di trascrivere e tradurre informazioni tra DNA, RNA e proteine, e questi meccanismi esistono oggi in tutti gli organismi. Non è noto se la vita sia sorta più volte, ma è generalmente accettato che la vita come la conosciamo oggi discenda da una singola popolazione.

Nonostante il fatto che i processi geologici possano spesso oscurare i reperti fossili più vecchi di poche centinaia di milioni di anni, siamo stati in grado di risalire all’origine della vita in modo straordinariamente lontano. Fossili microbici sono stati trovati in arenaria risalenti a 3,5 miliardi di anni fa. La grafite, ritrovata depositata in rocce sedimentarie metamorfosate, è stata fatta risalire ad avere origini biogeniche, e risale a 3,8 miliardi di anni fa.

In tempi ancora precedenti, più estremi, i depositi di alcuni cristalli nelle rocce sembrano originare da processi biologici, suggerendo che la Terra pullulava di vita già da 4,3 a 4,4 miliardi di anni fa: appena 100-200 milioni di anni dopo la Terra e si formò la Luna.

Per quanto ne sappiamo, la vita sulla Terra esiste da quasi quanto la Terra stessa.

Depositi di grafite trovati in Zircon, alcune delle prove più antiche della vita basata sul carbonio – EA BELL ET AL, PROC. NATL. ACAD. SCI. STATI UNITI, 2015

Ad un certo punto, nelle primissime fasi dell’esistenza del nostro pianeta, le molecole precursori della vita, nelle giuste condizioni energetiche e chimiche, hanno cominciato a metabolizzare contemporaneamente energia, rispondere all’ambiente, crescere, adattarsi, evolversi e riprodursi.

Anche se oggi per noi sarebbe irriconoscibile, ciò segna l’origine della vita. In una serie radicalmente ininterrotta di successi biologici, da allora il nostro pianeta è stato un mondo vivente.

Sebbene Venere e Marte possano aver avuto possibilità simili, cambiamenti radicali nell’atmosfera di Venere lo hanno reso un mondo con un effetto serra bruciante dopo appena 200-300 milioni di anni dalla sua nascita, mentre l’estinzione del campo magnetico marziano ha causato la perdita della sua atmosfera.

9,4 miliardi di anni dopo il Big Bang, la Terra pullulava di vita.