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Indice

    Prologo                                  11
    Ringraziamenti                           17


LA CULLA DELLA VITA



 1. IL DILEMMA DI DARWIN                     21

    La conquista dei primordi                21
    La natura del tempo geologico            22
    La storia della vita in poche parole     31
    Il dilemma di Darwin                     35
    Epilogo                                  59

 2. LA NASCITA DI UN NUOVO CAMPO DI INDAGINE 61

    Si schiudono le porte                    61
    Entrano in scena personaggi illustri     77
    Scende in campo un giovincello           83
    Le porte si spalancano                   96

 3. I FOSSILI PIÙ ANTICHI E IL LORO
        SIGNIFICATO                         107

    «Fidati ma controlla»                   107
    «I problemi del mondo reale» nella
        ricerca della vita dei primordi     108
    Domande e risposte sui più antichi
        documenti della vita                113
    I più antichi fossili conosciuti        145

 4. COM'È INIZIATA LA VITA?                 147

    Le basi della biologia                  147
    I costituenti universali della vita     154
    Come sono comparsi i monomeri contenenti
        CHON sulla Terra priva di vita?     157
    Il realismo incontra il surrealismo     162
    Monomeri organici extraterrestri        186
    In che modo i monomeri si unirono per
        formare i polimeri?                 190
    Dai monomeri ai polimeri, verso la vita 194

 5. TRACCE METABOLICHE DELLE PRIME CELLULE  197

    Come si originarono le cellule?         197
    I capisaldi della vita                  203
    Il primo modo in cui gli organismi si sono
        procurati l'energia vitale          211
    Aria e luce: una nuova fonte di glucosio218
    Perché respiriamo ossigeno?             223
    L'evoluzione del moderno metabolismo    226

 6. COSÌ LONTANO, COSÌ IN FRETTA,
        COSÌ PRESTO?                        231

    Quanto è antico l'ecosistema moderno?   231
    Quando ebbe inizio la vita?             234
    Com'è possibile che al suo esordio
        l'evoluzione sia stata così rapida? 237
    Paleobiologia: fossili, geologia e
        geochimica                          239
    Tracce isotopiche di antichi metabolismi245
    Paleobiologia: prove dirette
        dell'evoluzione primordiale         254

 7. LE STROMATOLITI: I PRIMI CONDOMÌNI A PIÙ
        PIANI DELLA TERRA                   257

    La natura non è divisa in compartimenti 257
    Le stromatoliti: i primi condomìni a più
        piani della Terra                   259
    Le stromatoliti del remoto passato      272
    A che servono le stromatoliti?          279

 8. I CIANOBATTERI: I «FOSSILI VIVENTI» PIÙ
        ANTICHI DELLA TERRA                 289

    Ritmi e modi dell'evoluzione della vita 289
    L'evoluzione dello status quo nei
        cianobatteri                        297
    I generalisti ecologici di maggior
        successo evolutivo                  316

 9. COMPAIONO, FINALMENTE, CELLULE COME LE
        NOSTRE                              323

    Gli organismi simili a noi hanno cellule
        come le nostre                      323
    La chiave del successo degli eucarioti:
        DNA e sviluppo                      325
    Quanto sono antichi gli eucarioti?      329
    Gli eucarioti perfezionano l'arte della
        donazione                           333
    Un nuovo stile di vita foriero di
        importanti cambiamenti:
        la sessualità                       336
    Ascesa e caduta degli acritarchi
        precambriani                        343
    Preludio al Fanerozoico                 353

10. LA SOLUZIONE DELL'ENIGMA DI DARWIN      359

    L'avventura della scienza               359
    La soluzione dell'enigma di Darwin      367

EPILOGO. AFFERMAZIONI STRAORDINARIE!
         PROVE STRAORDINARIE?               379


11. FOSSILI, FISSAZIONI E FRODI             381

    Trovare la risposta «giusta»            381
    «Uomo testimone del Diluvio»            383
    Le pietre mendaci di Beringer           394
    Teorie sulla natura dei fossili         403
    La stele di Rosetta                     407

12. A CACCIA DELLA VITA SU MARTE            409

    Indizi di un'antica vita su Marte?      409
    La NASA mette in scena una conferenza
        stampa                              411
    Meteoriti da Marte                      417
    Alla ricerca della prova inconfutabile  422
    Morale                                  436

Glossario                                   441
Bibliografia                                471
Indici                                      481
    Indice delle unità geologiche e
        dei generi e specie                 483
    Indice analitico                        487

 

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Prima di questa rivelazione:

1) nessuno aveva previsto che i primordi della vita affondassero in tempi così remoti;

2) nessuno aveva ipotizzato che gli unici abitanti della Terra, per tutti i primi quattro quinti della sua esistenza, siano state forme di vita di dimensioni microscopiche;

3) nessuno aveva immaginato che il mondo attuale (la fauna e la flora a noi note, dove c'è chi respira e chi produce ossigeno, chi mangia e chi viene mangiato) non fosse altro che una versione ingrandita di un serraglio microbico vecchio miliardi di anni;

4) nessuno aveva subodorato che nel corso del tempo geologico l'evoluzione stessa si fosse evoluta, e che le regole della lotta darwiniana per l'esistenza avessero subìto cambiamenti radicali durante il progredire della storia della vita.

Sono tutte acquisizioni nuove, risultato degli ultimi trent'anni di ricerca. Le radici di tali scoperte affondano però in domande sollevate per la prima volta molti anni fa. Anzi, l'enigma della mancanza di una serie fossile iniziale, quel buco nella storia della vita che secondo alcuni sembrava minare i fondamenti stessi della teoria di Darwin, era già stato ampiamente individuato alla metà dell'Ottocento.

Il tentativo di riempirlo ha avuto una storia tormentata di false partenze ed errori imbarazzanti. Ma per meglio apprezzare questa saga dobbiamo prima conoscere la natura del tempo geologico e lo sviluppo storico della scala temporale in geologia.

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1. Oggi sappiamo che gli animali e le piante pluricelullari del Fanerozoico sono comparsi soltanto poco prima dell'inizio del Cambriano. Salvo che negli strati immediatamente subcambriani, la caccia a fossili macroscopici in depositi precambriani era destinata a fallire in partenza!

2. Il colore nero della selce è di solito un buon indicatore del suo contenuto in carbonio organico sotto forma di carbone. Al pari dei depositi carboniferi, che sono ricchissimi di fossili, le selci ricche di microfossili pietrificati a pareti organiche sono normalmente color nero antracite.

3. La dimensione fine dei granuli di quarzo che compongono la selce fornisce un ulteriore indizio della potenziale presenza di fossili. Selci sottoposte a calore e pressione intensi, tipici di un episodio orogenetico, sono composte di granuli grossi, che conferiscono loro un aspetto zuccherino, mentre le selci sfuggite ai processi che distruggono i fossili sono fatte di granuli minuscoli e hanno una lucentezza cerosa simile a vetro.

4. Oggi sappiamo che le strutture di tipo Cryptozoon (stromatoliti) sono state prodotte da comunità microbiche ecologicamente localizzate di organismi microscopici che vivevano insieme, strato su strato. Se in una serie rocciosa si trovano tali strutture stratificate a forma di cavolo, soprattutto se composte di selci nere a grana fine, probabilmente conterranno resti fossilizzati dei microrganismi che le hanno costruite.

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Tutti i fossili di Apex sono resti di microbi cellulari filamentosi noti come procarioti, un tipo di microrganismi evolutosi precocemente nel quale il materiale ereditario (DNA) è un semplice filamento situato all'interno della cellula, e non contenuto in un nucleo cellulare come nelle forme di vita più progredite (eucarioti). Fra i procarioti, i fossili di Apex rientrano tutti nel dominio dei Batteri (comprendenti, oltre a tipi batterici più primitivi, i cianobatteri) e non in quello degli Archei, l'altra divisione dei procarioti (un ramo dell'albero della vita descritto recentemente e comprendente microbi che spesso vivono in condizioni estreme di temperatura e acidità).

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I più antichi reperti che rispondono a questi requisiti sono undici tipi di microbi filamentosi a struttura cellulare rimasti pietrificati nella selce di Apex, antica 3,465 miliardi di anni, nell'estremità nordoccidentale dell'Australia. La scoperta necessita di ulteriori studi, ma appare chiaro fin d'ora che si tratta comunque di procarioti appartenenti al dominio dei Batteri. Il dato più notevole è che tra essi vi sono dei cianobatteri produttori di ossigeno e aerobi, organismi non solo estremamente antichi, ma anche sorprendentemente evoluti, i quali suggeriscono che l'evoluzione, nella sua primissima fase, sia stata molto più rapida e imponente di quanto mai ci saremmo aspettati.

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Pagina 152

1. Piante e animali, sebbene siano le forme di vita più conosciute, sono semplicemente due dei venti e più rami evolutivi principali.

2. L'albero della vita è fatto in grandissima parte di organismi microscopici; dei più di venti rami, soltanto tre (vegetali, funghi e animali) contengono forme abbastanza grandi da poter essere viste a occhio nudo, e ciascuno contiene anche forme visibili solo al microscopio.

3. Ogni organismo attuale appartiene all'uno o all'altro di tre gruppi (formalmente noti come domìni): 1) Eucarya, gli eucarioti (dotati di cellule nelle quali i cromosomi sono contenuti, come in un sacchetto, all'interno di un nucleo); 2) Archaea, gli archei (microbi privi di nucleo comprendenti i soli organismi produttori di metano e molti «estremofili», che prosperano in condizioni di acidità o temperatura estreme); e 3) Bacteria (il dominio che comprende i cianobatteri produttori di ossigeno e tutti i vari tipi di batteri).

4. Gli eucarioti sono più strettamente imparentati con gli archei che con i batteri, e l'ultimo antenato comune di tutte le forme attuali - la radice dell'albero della vita - si situa fra gli Archaea e i Bacteria.

Lo schema di ramificazione dell'albero filogenetico concorda abbastanza bene con le tracce fossili conosciute: prima i Bacteria e Archaea, e molto più tardi gli Eucarya. Ma gli alberi costruiti sugli rRNA non possono mostrare il preciso momento in cui sono spuntati i vari rami.

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Pagina 154

La vita è fatta essenzialmente di quattro elementi chimici: carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, CHON, talvolta accompagnati da zolfo (S) e fosforo (P). I primi quattro elementi della vita formano più del 99,9 per cento di tutti i sistemi viventi. Perché proprio CHON? Perché non il titanio, l'oro, il cripto, il tulio o qualche altra miscela strana? La risposta è semplice: la vita è fatta di CHON perché questi elementi sono abbondanti, quattro dei cinque più frequenti in tutto l'universo (il quinto, l'elio, non conta perché è inerte, non reattivo; un gas importante per gli aerostati, ma un elemento incapace di combinarsi con altri per formare composti chimici stabili). Quando la vita ebbe inizio, c'era in giro una gran quantità di CHON. Inoltre, questi elementi sono tutti capaci di combinarsi fra loro per formare piccole molecole stabili quali il metano (CH4), l'anidride carbonica (CO2) e l'ammoniaca (NH3), composti solubili in acqua (H2O, altra molecola binaria di elementi fondamentali) e che pertanto possono svolgere un ruolo attivo nel funzionamento della vita.

Dai protisti alle petunie, dai microbi all'uomo, i sistemi viventi sono magnificamente diversificati, ma a livello chimico sono praticamente identici, un'uniformità che dimostra la comune origine di tutti i viventi. Tutta la vita è fatta di CHON (SP) e comprende le stesse tre dozzine di molecole contenenti CHON (SP) - i mattoni biologici fondamentali. Queste piccole molecole, quali gli amminoacidi, gli zuccheri, nonché le purine e le pirimidine del DNA e dell'RNA, sono monomeri; ciascuna di esse si lega con le sue simili a formare pochi tipi di polimeri (macromolecole quali le proteine e gli acidi nucleici) essenziali per la vita. L'uniformità riguarda anche il metabolismo, dal momento che l'energia per alimentare la vita si produce soltanto in pochi modi, più o meno simili, strettamente collegati.

Queste caratteristiche universali dimostrano che non solo i milioni di specie attuali, ma gli organismi di tutte le epoche e dell'intero pianeta affondano le loro radici in una singola linea cellulare primordiale.

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Pagina 205

Per far fronte a questi bisogni sono stati inventati due soli modi: l' autotrofia, strategia adottata dai vegetali, e l' eterotrofia, adottata dagli animali.

Gli organismi autotrofi soddisfano il bisogno di CHON assumendo sostanze nutrienti semplici (normalmente anidride carbonica, acqua, nitrati e fosfati) e trasformandole nelle sostanze necessarie al proprio sostentamento. Alcuni (detti chemioautotrofi) si procurano l'energia necessaria per la produzione di nutrienti da reazioni chimiche non attivate dalla luce, ma per lo più sono fotosintetici (il che li rende fotoautotrofi), come le piante e i microrganismi di tipo vegetale, che crescono utilizzando l'energia solare per costruire piccole molecole organiche quali il glucosio. In entrambi i tipi di autotrofi, parte dell'energia raccolta viene immagazzinata nei legami chimici che uniscono gli atomi di C, H, O e N, e in un secondo momento può essere liberata e utilizzata dall'organismo. Gli autotrofi non dipendono da altri organismi per lo sviluppo e la nutrizione; assumono CHON e sintetizzano composti organici che poi demoliscono per produrre l'energia necessaria al mantenimento della vita.

Gli animali e gli organismi affini (protozoi, funghi e gran parte dei microbi non fotosintetici) adottano l'altra strategia: sono eterotrofi, si nutrono di altri. Gli eterotrofi si procurano CHON dal cibo che mangiano e l'energia dai legami che tengono insieme gli atomi delle sostanze che lo compongono. Come Oparin intuì decenni fa, il metabolismo degli animali è più semplice di quello delle piante. Gli eterotrofi utilizzano cibo già pronto e non devono fare altro che demolirlo, mentre le piante e gli altri autotrofi devono prima prepararselo.

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Pagina 292

Simpson codificò quella che è conosciuta come «evoluzione standard», ove le regole del gioco sono quelle, ben note, della speciazione, della specializzazione e dell' estinzione. Era ben lontano dal sospettare che la precedente evoluzione della vita si sarebbe rivelata così radicalmente diversa.

Al posto degli animali e delle piante del Fanerozoico, a popolare la scena del Precambriano c'erano serragli metabolici di archei e batteri asessuati. Molti di questi microbi, anziché evolvere al ritmo normale di un organismo di grandi dimensioni, sono rimasti immutati per tempi incredibilmente lunghi. Anziché essere specializzati per la vita in un particolare habitat, i membri del ceppo antico più riuscito, i cianobatteri, sono dei generalisti che prosperano in una gamma impressionante di ambienti. Invece di seguire le regole di Simpson, la vita precambriana scelse la strategia della speciazione, del generalismo e della sopravvivenza sul lunghissimo periodo.

Il Fanerozoico, epoca di specializzazione e di estinzione, differisce nettamente dal Precambriano, epoca di generalismo e di sopravvivenza. Si cominciò ad averne sentore alla fine degli anni Sessanta, ma ci sono voluti trent'anni per raccogliere una massa sufficiente di prove. I dati più significativi provengono da studi sui cianobatteri precambriani, sovrani assoluti del mondo primordiale. Benché la nostra conoscenza dei fossili precambriani sia tutt'altro che completa, siamo in grado di dimostrare quanto asserito, perché la mancanza di evoluzione (o «stasi evolutiva») necessita di molte meno prove del cambiamento evolutivo.

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Pagina 324

Perché gli eucarioti sono un gruppo di così grande successo? Una prima parte della risposta si può trovare nella conformazione delle loro cellule, i robusti compartimenti che racchiudono vari tipi di piccoli corpi circondati da membrana, detti organuli, ciascuno dei quali ricopre un proprio ruolo specifico nel processo della vita. Le cellule vegetali ne contengono la serie completa: un nucleo che ospita i cromosomi contenenti il DNA; i ribosomi, dove l'informazione immagazzinata nel DNA è utilizzata per la sintesi delle proteine e di altri composti chimici; i cloroplasti, dove viene catturata la luce solare e, tramite fotosintesi, si produce il nutrimento della cellula; e i mitocondri, dove la respirazione aerobica demolisce il cibo liberando energia.

Salvo i ribosomi, i procarioti non possiedono nessuno di tali organuli. Questi sono invece sempre presenti negli eucarioti, con due sole eccezioni: 1) i cloroplasti sono assenti nei non fotosintetizzatori, quali i protozoi, i funghi e gli animali; e 2) i mitocondri mancano nei due rami più bassi degli eucarioti, i Diplomonadini (come la Giardia, un agente patogeno abbastanza frequente nell'uomo) e i Microsporidi - rami interamente rappresentati da parassiti. L'assenza di cloroplasti o di mitocondri nei due gruppi chiaramente più primitivi fa ritenere che i primi eucarioti unicellulari non fossero né fotosintetizzatori, né aerobi.

La presenza di un nucleo contenente i cromosomi è il carattere distintivo degli eucarioti, nonché l'origine del nome stesso (dal greco eu, che significa vero, e karyon, usato in biologia per indicare il nucleo; le cellule degli eucarioti sono quindi «veramente nucleate», mentre quelle dei procarioti, dal greco pro, prima, e karyon, risalgono a «prima del nucleo»). Negli eucarioti solo una parte del DNA, quella contenuta in segmenti detti «esoni», codifica l'informazione che presiede alla sintesi di enzimi e di altre sostanze. Sotto quest'aspetto sono diversi dai procarioti, nei quali tutto il DNA contiene di norma istruzioni per fare composti chimici. Poiché i nuclei degli eucarioti ospitano molto più DNA delle cellule dei procarioti, gli eucarioti hanno immagazzinata molta più informazione genetica. Questo aiuta a spiegare perché sono più complessi, dal momento che il grado di complessità di un individuo dipende in parte da quanto DNA codificante possiedono le sue cellule.

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Pagina 357

Qualsiasi vita conducessero gli animali di Ediacara, non avrebbero mai potuto evolversi se prima di loro non ci fosse stata una serie pressoché infinita di minuscoli microrganismi che hanno inventato, volta per volta, la fotosintesi ossigenica, la respirazione con consumo di ossigeno, la cellula eucariotica con tutti i suoi organuli, la donazione per mitosi, la meiosi e la riproduzione sessuata. L'evoluziòne costruisce apponendo un mattone dopo l'altro. Noi, al pari di tutti gli altri animali, siamo un prodotto di questo processo.

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