Dalla molecola all'organismo

Questo incontro tra i mattoni chimici di base potrebbe essere avvenuto nelle bocche idrotermali delle profondità marine o in una pozza di marea primordiale in cui le molecole potevano concentrarsi per evaporazione. Le alte concentrazioni hanno portato alla sintesi spontanea di molecole più complesse. "Questo non accadrà nell'oceano in apertura perché la diluizione è troppo grande", sottolinea il ricercatore.

Il percorso verso la prima cellula

Tuttavia, i ricercatori hanno solo una comprensione rudimentale di come si sia formata la prima cellula. "Abbiamo pochissime informazioni al riguardo", dice Riek, che ha anche una formazione in fisica e biologia.

Tuttavia, il punto centrale sembra essere che i compartimenti chiusi sono stati in grado di formarsi nel brodo primordiale ricco di molecole, e questo richiedeva acidi grassi. Questi precursori dei lipidi possono assemblarsi spontaneamente in membrane e formare piccole vescicole - vasi di reazione separati dal brodo primordiale in cui le sostanze e le molecole diventano ancora più concentrate. Tali vescicole favoriscono e accelerano molte volte le reazioni chimiche.

Da primitivo a complesso

La formazione delle vescicole è stata probabilmente anche la chiave per la nascita degli organismi unicellulari, in cui molecole più complesse come l'RNA potevano moltiplicarsi ulteriormente e in cui si è sviluppato un metabolismo che generava energia sufficiente per accelerare i processi di replicazione e migliorare il trasferimento delle informazioni genetiche", aggiunge Martin Pilho.Si tratta di un metabolismo che genera energia sufficiente per accelerare i processi di replicazione e migliorare il trasferimento delle informazioni genetiche", aggiunge Martin Pilhofer, professore dell'Istituto di biologia molecolare e biofisica dell'ETH di Zurigo.

"La durata di questa fase non è chiara. Più andiamo indietro nella storia della Terra, più le nostre ipotesi e scoperte diventano incerte", afferma Pilhofer. Anche la comparsa dei primi organismi unicellulari non può essere determinata con precisione. Si stima che siano comparsi circa 3,5-4 miliardi di anni fa, come dimostrano i batteri fossili. La Terra era sicuramente viva 3 miliardi di anni fa.

È probabile che i primi organismi unicellulari si siano evoluti in luoghi con una fonte di energia esterna, ad esempio in prossimità di bocche idrotermali nelle profondità marine o di sorgenti calde, come quelle presenti nel Parco Nazionale di Yellowstone. Solo sviluppando un proprio metabolismo, i protozoi sono stati in grado di rendersi indipendenti dalla fonte di energia esterna e di conquistare nuovi habitat.

Un antenato dalle profondità marine

Nell'ambiente di queste bocche sottomarine, gli organismi unicellulari potrebbero essersi sviluppati presto in direzioni diverse: "Sospettiamo che in luoghi così estremi, gli organismi unicellulari originari si siano divisi in batteri e archei subito dopo la loro formazione", afferma il microbiologo Pilhofer.

I batteri e gli archei, un tempo noti come archeobatteri o batteri primordiali, sono per lo più organismi unicellulari privi di nucleo cellulare. Formano due grandi domini nell'albero filogenetico. Gli eucarioti rappresentano un terzo dominio. A differenza dei batteri e degli archei, gli eucarioti hanno un nucleo cellulare in cui è immagazzinato il materiale genetico DNA. Un'altra peculiarità degli eucarioti sono i compartimenti cellulari separati da membrane, come i mitocondri o i cloroplasti.

Da tempo i ricercatori cercano spiegazioni su come gli eucarioti possano evolversi da microbi batterici o arcaici. Molti scienziati ritengono possibile che una cellula ospite abbia "ingoiato" un batterio. Nel corso del tempo, questo si è evoluto nel mitocondrio, la centrale elettrica degli eucarioti. "È indiscutibile che questo evento si sia verificato", afferma Pilhofer. Un altro evento simile potrebbe aver portato un cianobatterio attivo dal punto di vista fotosintetico a essere incorporato in una cellula e a diventare un cloroplasto, che svolge la fotosintesi nelle piante verdi e nelle alghe.

Tuttavia, non è chiaro cosa potesse essere questa cellula ospite, l'antenato degli eucarioti. Ma ora il velo si sta sollevando: qualche anno fa, gli scienziati hanno pubblicato nuove scoperte su un gruppo originario di archei che è stato scoperto solo di recente.

Esse provengono da uno sfiatatoio termico di acque profonde chiamato Castello di Loki. Il campo idrotermale, in cui l'acqua a 300 gradi Celsius fuoriesce dai camini di roccia, è stato scoperto solo nel 2008 nell'Atlantico settentrionale a 2300 metri di profondità. I ricercatori svedesi hanno prelevato campioni di sedimenti e analizzato il materiale genetico in essi contenuto. Ciò ha permesso di ricostruire i genomi di organismi sconosciuti. "Queste scoperte hanno rivoluzionato la nostra visione dell'albero genealogico della vita", sottolinea Pilhofer.

I genomi hanno evidenziato un nuovo gruppo di archaea, inizialmente chiamato Loki archaea in riferimento al sito in cui è stato trovato il castello di Loki, ma poi classificato come classe Asgard archaea sulla base di ulteriori indagini genomiche e morfologiche.

Questi microrganismi appena descritti hanno portato alla conclusione che gli eucarioti non sono un dominio separato, ma un sottodominio degli archei Asgard. Martin Pilhofer ne spiega la ragione: "Il genoma degli archei Asgard contiene alcuni geni che di solito conosciamo solo dagli eucarioti. Un esempio importante è il gene che trasporta le informazioni genetiche per la proteina citoscheletrica actina. Ciò significa che gli archei sono dotati di proteine che finora abbiamo trovato solo negli eucarioti".

Il microbiologo specializzato in citoscheletri ha anche una possibile spiegazione del modo in cui l'archeo originario di Asgard è riuscito ad afferrare il batterio: grazie a tentacoli sostenuti dall'actina. Essi li usano per esplorare il loro ambiente e interagire con altri organismi.

Poiché gli archei e i batteri spesso si sviluppano in tappeti biologici densamente compatti e ricchi di specie in luoghi così estremi, si verificano innumerevoli interazioni tra individui e specie diverse. Con i suoi tentacoli, un archeo di Asgard potrebbe aver racchiuso e inglobato il batterio in questione. "Potrebbe quindi essere stato un archeo Asgard preistorico ad accogliere un batterio e a gettare le basi per lo sviluppo delle cellule eucariotiche", spiega Pilhofer.

Insieme al suo gruppo, sta realizzando immagini al microscopio elettronico ad alta risoluzione degli archei di Asgard. Dalle immagini ottenute finora, non è in grado di stabilire se questi organismi abbiano un citoscheletro. I ricercatori dell'ETH vogliono anche chiarire l'aspetto della membrana cellulare degli archei Asgard e se in queste cellule esiste uno speciale sistema di membrane interne. "Questa ricerca ci aiuta a capire meglio come una cellula ospite che un tempo si fondeva con un batterio si sia evoluta in una complessa cellula eucariotica", afferma Pilhofer.