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Le prime cellule

Tra le molecole di RNA in grado di riprodursi che abbiamo appena esaminato e le cellule viventi vi è ancora una grande differenza; la vita, infatti, richiede che un grande numero di molecole organiche complesse interagisca in maniera ben precisa. In altre parole, la vita dipende da un complicato dispositivo metabolico che deriva dalla cooperazione di molte molecole organiche complesse. E' probabile quindi che l'origine della vita sia stata preceduta da una grande quantità di aggregati molecolari in grado di cooperare tra loro.

La più antica forma di cooperazione molecolare può aver coinvolto un modello primitivo di traduzione , in cui semplici geni a RNA venivano tradotti in polipeptidi senza l'intervento di ribosomi o di tRNA. Supponiamo che un filamento di RNA abbia funzionato da semplice stampo in grado di legarsi debolmente agli amminoacidi e di trattenerne alcuni abbastanza vicini, e per un tempo sufficiente da permettere loro di legarsi insieme; in una simile reazione chimica, atomi di zinco o di altri metalli presenti nelle vicinanze potrebbero aver agito da catalizzatori. Dato che la sequenza di nucleotidi dell'RNA ha determinato la sequenza di amminoacidi, il polipeptide risultante sarebbe una semplice traduzione del gene a RNA; se, a sua volta, il polipeptide funzionasse da enzima per favorire la duplicazione della molecola di RNA, inizierebbe allora una mutua collaborazione molecolare tra acidi nucleici e polipeptidi. Supponiamo ora che sulla Terra prebiotica le cooperazioni tra RNA e polipeptidi fossero fenomeni piuttosto comuni, dovremmo allora immaginare che, negli ambienti acquatici, si formassero spesso aggregati molecolari, soprattutto nelle piccole pozze o sulle pellicole d'acqua che ricoprivano le superfici argillose. Questi luoghi potrebbero aver ospitato una grande quantità di molecole organiche, tra cui l'RNA ed i polipeptidi. Gli esperimenti dimostrano che, negli ambienti acquatici, alcuni polipeptidi riescono ad autoassemblarsi formando microscopiche sfere piene di liquido. Queste microsfere non sono vive, ma presentano alcune proprietà delle cellule viventi: sono circondate da una sorta di membrana selettivamente permeabile, possono crescere assimilando altre molecole polipeptidiche dall'ambiente circostante, possono dividersi quando raggiungono certe dimensioni e, infine, possono gonfiarsi o raggrinzirsi per osmosi se vengono collocate in soluzioni con differenti concentrazioni saline; anche certi tipi di molecole lipidiche, come i fosfolipidi, formano sfere che hanno proprietà simili. Sulla Terra primitiva possono quindi essersi formati entrambi i tipi di sfere circondate da membrane; inoltre, alcune di esse potrebbero aver posseduto una membrana costituita da entrambi i tipi di molecole, in qualche modo simile alla membrana di una cellula vera e propria. E' facile immaginare che sulla Terra primitiva, alcune di queste entità simili alle cellule contenessero alcuni aggregati molecolari preesistenti formati da RNA e polipeptidi. Il fatto che uno di essi possa essersi introdotto in una membrana fu certamente una tappa decisiva verso la comparsa della vita; un aggregato di molecole all'interno di una membrana, infatti, è isolato da altri aggregati e rimane l'unico beneficiario dei propri prodotti. Ogni aggregato molecolare circondato da membrana cha riusciva a crescere e duplicarsi più efficacemente degli altri risultava favorito dalla selezione naturale, in altre parole, gli aggregati molecolari si sarebbero evoluti secondo la teoria darwiniana. Abbiamo così disegnato uno scenario secondo cui le concentrazioni locali di prodotti organici sulla Terra prebiotica possono aver dato origine ad aggregati di molecole circondati da membrane. All'interno di esse, gli aggregati molecolari potrebbero aver sviluppato la capacità di duplicarsi e di svolgere reazioni chimiche essenziali, qualcosa di equivalente ad un metabolismo primitivo. Probabilmente ci sono voluti milioni di anni prima che sulla Terra comparissero le prime cellule; durante questo periodo, gli aggregati molecolari potrebbero essersi evoluti in complessi dispositivi metabolici contenenti DNA e capaci di utilizzare efficientemente una certa varietà di materiali grezzi prelevati dall'ambiente. Persino la cellula più semplice sarebbe stata di gran lunga più complessa di qualsiasi aggregato molecolare che abbiamo appena descritto. Qualunque siano state le tappe evolutive che hanno condotto alla vita della prima cellula, possiamo essere sicuri che le cellule primitive erano procariote.

 

I procarioti

Le testimonianze fossili dimostrano che 3,5 miliardi di anni fa i procarioti (i primi batteri) erano molto numerosi. Essi sono gli unici organismi che si sono evoluti sulla Terra per i successivi 2 miliardi di anni circa. Oggi i procarioti si trovano ovunque sia possibile la vita, e sono più numerosi di tutti gli altri eucarioti messi insieme; vi sono più procarioti in una manciata di terra fertile , oppure nella bocca e sulla pelle di un essere umano di quante persone siano mai vissute sul nostro pianeta. Inoltre, i procarioti possono vivere in habitat troppo freddi, troppo caldi, troppo salati, troppo acidi o troppo basici per qualsiasi organismo eucariote. Gran parte delle cellule procariote ha un diametro compreso tra 1 e 10 micrometri, molto più piccolo di quello della maggior parte delle altre cellule eucariote (il cui diametro è compreso tra i 10 e 100 micrometri). Nonostante le loro piccole dimensioni, i procarioti hanno un'importanza fondamentale sul nostro pianeta. Spesso ci capita di sentire nominare specie di batteri che causano malattie gravi; nel quattordicesimo secolo la Morte Nera (ovvero la peste bubbonica, una malattia batterica) si diffuse in Europa uccidendo il 25% della popolazione umana. La tubercolosi, il colera, molte malattie a trasmissione sessuale e certi tipi di tossine alimentari sono alcuni degli effetti dell'azione dei batteri; tali organismi sono anche causa di numerose malattie per gli animali ed i vegetali. Tuttavia, i batteri innocui o utili sono molto più comuni di quelli nocivi. Nell'intestino, noi ospitiamo batteri che ci forniscono importanti vitamine, mentre altri che vivono nella nostra bocca proibiscono ai funghi nocivi di proliferare. Altri batteri d'importanza vitale sono quelli che decompongono gli organismi morti; presenti nel terreno e sul fondo dei laghi, dei fiumi e degli oceani, questi procarioti restituiscono all'ambiente gli elementi chimici vitali sotto forma di composti inorganici utilizzabili dalle piante, che a loro volta sono il nutrimento degli animali. Se i batteri decompositori sparissero, i cicli chimici che sono alla base della vita si arresterebbero e tutte le forme di vita eucariote probabilmente finirebbero per sparire, al contrario la vita procariote potrebbe continuare anche in assenza degli eucarioti, come è avvenuto per miliardi di anni.

 

I procarioti hanno un organizzazione cellulare fondamentalmente diversa da quella degli eucarioti. Mentre le cellule eucariote hanno un nucleo racchiuso da una membrana e numerosi altri organuli dotati di membrana, le cellule procariote sono prive di queste caratteristiche strutturali; il loro DNA non si trova all'interno del nucleo. La struttura cellulare relativamente semplice dei procarioti è il principale motivo per cui i biologi hanno classificato questi organismi nel regno delle Monere. Oggi sulla Terra vi sono due tipi molto differenti di procarioti, gli eubatteri e gli archebatteri. La differenza fondamentale tra questi due gruppi risiede nei loro acidi nucleici: per questo i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione all'RNA presente nei ribosomi (rRNA). Nello studiare la sequenza nucleotidica di un certo tipo di rRNA che si trova sia nei procarioti che negli eucarioti, sono state fatte scoperte molto interessanti; per esempio, vicino al nucleotide numero 910 di questo rRNa (che ne ha in tutto 1500), i ricercatori hanno trovato questa differenza nelle sequenze:

eubatteri: AAACUCAAA

archeobatteri: AAACUUAAAG

In tutto sono stati identificati circa dodici "marcatori" molecolari, ossia corte sequenze di rRNA che distinguono gli eubatteri dagli arche batteri. Curiosamente, in un certo numero di casi, compreso quello che abbiamo appena considerato, la sequenza degli archebatteri è uguale a quella degli eucarioti. La tabella sotto riassume alcune differenze tra eubatteri ed archebatteri. Oltre alle sequenze di rRNa, vi sono numerose altre differenze nei dispositivi cellulari coinvolti nell'espressione genica; esse includono differenze nelle RNA-polimerasi (gli enzimi che catalizzano la sintesi dell'RNA), nella presenza o meno di introni (i segmenti di materiale genetico che non dettano informazioni) e nella sensibilità verso gli antibiotici che inibiscono la sintesi delle proteine.

 

Differenze tra eubatteri ed archebatteri
Principali caratteristiche
Eubatteri
Archebatteri
Sequenze di rRna Molte sono peculiari degli eubatteri Molte sono uguali a quelle eucariote
Rna-polimerasi Relativamente piccole e semplici Complesse; simili a quelle eucariote
Introni (segmenti genetici non codificanti) Assenti Presenti in alcuni geni
Sensibilità agli antibiotici E' inibita la sintesi proteica Non è inibita la sintesi proteica
Peptidoglicani nelle pareti cellulari Presenti assenti
Lipidi di membrana Catene carboniose non ramificate Catene carboniose ramificate

 

Altre differenze tra eubatteri e archebatteri sono presenti a livello di parete delle membrane cellulari. Quasi tutti i procarioti hanno una parete cellulare esterna alla membrana; come nelle piante, la parete conferisce alla cellula una certa forma e le fornisce una protezione fisica. La parete cellulare degli eubatteri contiene una sostanza particolare, il peptidoglicano, un polimero glucidico all'interno del quale sono inseriti brevi polipeptidi; le pareti degli archebatteri, invece, sono prive di peptidoglicano. Anche i lipidi che formano la struttura delle loro membrane si differenziano nei due gruppi. Osservate che, riguardo alla maggior parte delle caratteristiche della tabella, gli archebatteri sono molto più simili agli eucarioti che agli eubatteri. Questo può significare che gli archebatteri sono imparentati molto più strettamente con gli eucarioti che con gli eubatteri, ossia con altri procarioti. In ogni modo i biologi sono convinti che gli eubatteri e gli archebatteri siano talmente differenti da dover essere classificati separatamente in due ampi gruppi tassonomici. Il motivo per cui sono stati inseriti tra le Monere è che, in base alla concezione tradizionale, i procarioti appartenenti a questi due gruppi hanno una struttura cellulare simile se osservati al microscopio. L'obiettivo più importante, al di là dei problemi di classificazione, è probabilmente prendere atto che esistono due tipi molto diversi di organismi procarioti.

 

La Varietà dei procarioti

Per identificare i procarioti è estremamente importante determinare la forma delle cellule mediante l'osservazione al microscopio. Le cellule procariote sferiche sono dette cocchi (dal termine greco che significa bacche). I cocchi che si presentano in grappi vengono detti staffilococchi, altri cocchi che si riuniscono in catene vengono detti streptococchi: ne è un esempio il batterio che causa il mal di gola. I procarioti a forma di bastoncino vengono chiamati bacilli. Nella maggior parte dei casi i bacilli hanno vita individuale, mentre altre volte si presentano in coppie (diplobacilli) o in catene (streptobacilli). Un terzo tipo di cellule procariote è quello curvo o a spirale. Alcuni batteri di questo gruppo assomigliano a virgole e vengono detti vibrioni, altri invece, hanno una forma ad elica simile ad un cavatappi: questi batteri sono detti spirilli se sono relativamente corti e rigidi, mentre vengono chiamati spirochete se sono formati da cellule più lunghe e flessibili. Il batterio che provoca la sifilide per esempio, è una spirocheta. Le spirochete comprendono alcune forma giganti, ossia cellule lunghe 0,5 mm.

cellula ciliata

 

Modalità di nutrizione dei procarioti

Spesso, quando si classificano i diversi organismi i biologi usano il termine "modalità di nutrizione" per descrivere in che modo un organismo si procura due importanti risorse: l'energia ed il carbonio (necessario per la sintesi dei composti organici). Nel loro complesso, i procarioti, mostrano una varietà di modalità di nutrimento maggiore di tutti gli eucarioti messi insieme.

Molti procarioti sono autotrofi (si nutrono da soli), poiché sono in grado di sintetizzare i propri composti organici a partire da fonti inorganiche. Gli autotrofi prelevano atomi di carbonio dall'anidride carbonica, ricavano energia dalla luce del Sole o da sostanze chimiche inorganiche come l'acido solfidrico, lo zolfo o i composti contenenti ferro. Gli autotrofi che, come i cianobatteri, riescono ad utilizzare la luce solare mediante la fotosintesi, vengono detti fotoautotrofi (i cianobatteri utilizzano l'acqua come fonte di elettroni per la fotosintesi e producono ossigeno come prodotto di rifiuto, proprio come le piante); gli organismi autotrofi che ricavano energia dai prodotti inorganici invece che dalla luce solare sono detti chemioautotrofi. La maggior parte dei procarioti, però, è eterotrofa (si nutre dipendendo da altri): gli atomi di carbonio di questi organismi provengono dai composti organici di cui essi si cibano. Alcuni eterotrofi, detti fotoeterotrofi, ricavano energia dalla luce del Sole. Il gruppo di gran lunga più numeroso, tuttavia, è composto da organismi che dal punto di vista alimentare sono simili agli animali, in quanto ricavano sia l'energia sia il carbonio dalle molecole organiche. Questi batteri, detti chemioeterotrofi, sono così eterogenei che, per essi, praticamente qualsiasi molecola organica può rappresentare un alimento; molte specie (come l'Escherichia coli, un ospite del nostro intestino) possono nutrirsi di una grande varietà di sostanze organiche. Quando le sostanze nutritive sono disponibili, questi batteri possono moltiplicarsi in maniera esponenziale: ogni cellula si divide dando origine a 2 cellule che, a loro volta, ne formano 4, quindi 8 e così via. Essendo in grado di duplicarsi in poche ore, i batteri hanno un enorme potenziale riproduttivo. La loro crescita in realtà è limitata da fattori ambientali (come la disponibilità del cibo) e dall'accumulo dei rifiuti metabolici tossici prodotti da loro stessi. Oggi, i chemieterotrofi sono i procarioti predominanti, e potrebbero esserlo stato sin dagli albori della vita.

Classificazione degli organismi in base alle richieste nutritive
Tipo di nutrizione Fonte energetica Fonte di carbonio
Fotoautrofi Luce solare Anidride carbonica
Chemioautotrofi Composti inorganici Anidride carbonica
Fotoeterotrofi Luce solare Composti organici
Chemioeterotrofi Composti organici Composti organici

 

Riprendiamo ora il nostro discorso sull'origine della vita, abbiamo ipotizzato che le prime forme viventi, i procarioti, si siano evolute da aggregati di molecole circondati da membrane. Il primo procariote deve aver avuto un metabolismo molto semplice che richiedeva solamente pochi enzimi e, poiché l'ambiente in cui viveva non conteneva quasi ossigeno, il suo metabolismo deve essere stato anaerobico. E' improbabile che i primi organismi fossero in grado di utilizzare la luce del Sole come fonte di energia, perché questo processo richiede una serie complessa di enzimi; più probabilmente, le prime forme di vita devono aver ricavato il carbonio e l'energia semplicemente dalla grande varietà di molecole e ioni di cui era ricco l'ambiente in cui si erano evolute. Vi sono due ipotesi relative al primo metabolismo energetico, entrambe si basano sul fatto che tutte le moderne forme di vita utilizzano ATP come principale "valuta" energetica, pertanto è probabile che i procarioti abbiano cominciato ad utilizzare presto questo tipo di molecola. Secondo la prima ipotesi, l'ATP era una delle piccole molecole organiche presenti nel brodo primordiale. In uno scenario di questo tipo, la prima forma di vita fu un chemioeterotrofo che soddisfaceva il proprio fabbisogno di carbonio ed energia assorbendo molecole organiche, incluso l'ATP, dall'ambiente circostante; esso doveva possedere enzimi per trasformare in altri composti le molecole organiche assorbite, e per spezzare l'ATP ed utilizzare l'energia liberata. Nell'evoluzione della vita, la prima crisi energetica si manifestò presumibilmente quando l'ATP cominciò a scarseggiare nell'ambiente. In seguito, alcune cellule devono aver sviluppato la capacità di produrre enzimi che potevano rigenerare ATP partendo da ADP, utilizzando l'energia liberata dalla demolizione di altri nutrimenti organici ancora disponibili. Invece secondo l'altra ipotesi, che è anche quella più comune, nel brodo primordiale non vi era molto ATP disponibile, la prima forma di vita fu quindi un chemiautotrofo in grado di sintetizzare il proprio ATP. Questo organismo avrebbe utilizzato anidride carbonica come fonte di carbonio, mentre avrebbe potuto ricavare energia da trasformazioni chimiche di composti dello zolfo e del ferro, che a quell'epoca dovevano essere molto abbondanti; l'ATP potrebbe essersi generato mediante una forma primitiva di chemiosmosi.

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