Da dove veniamo? Come è comparsa la vita sulla Terra quasi 4 miliardi di anni fa? Queste domande fondamentali non sono solo interrogativi filosofici, ma il cuore pulsante della ricerca condotta dall’Istituto di Evoluzione Molecolare dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU).
Recentemente, un team internazionale di ricercatori ha pubblicato sulla rivista scientifica Science Advances una scoperta destinata a rivoluzionare i manuali di biologia: la vita cellulare autonoma e indipendente non sarebbe nata una sola volta, bensì due volte in modo del tutto indipendente.
I ricercatori sono riusciti a ricostruire il modo in cui le prime forme di vita producevano i mattoni fondamentali dell’esistenza, rivelando un’epoca ancestrale in cui la biologia e la geologia del nostro pianeta erano fuse in un unico, affascinante abbraccio.
Un pianeta primordiale: il culla delle sorgenti idrotermali
Circa 4 miliardi di anni fa, la Terra era un ambiente inospitale, privo di ossigeno e dominato da un’intensa attività vulcanica e geologica. In questo scenario primordiale, le sorgenti idrotermali situati sui fondali oceanici rappresentavano il teatro ideale per i primi esperimenti della chimica della vita.
Prima ancora che esistessero cellule capaci di muoversi liberamente negli oceani, l’ambiente attorno a queste sorgenti brulicava di reazioni chimiche spontanee. Elementi semplici come idrogeno gassoso, ammoniaca e anidride carbonica ($CO_2$) venivano continuamente mescolati e trasformati.
Come spiegato dalla biologa Natalia Mrnjavac, autrice principale dello studio, se potessimo viaggiare indietro nel tempo vedremmo l’emergere di due forme di vita cellulare estremamente diverse — batteri pionieri e archei pionieri — intenti a compiere i loro primi tentativi di sopravvivenza al di fuori della “culla” protettiva della sorgente idrotermale.
[Ambiente Geologico: Sorgente Idrotermale]
│ (H2, NH3, CO2 + Metalli Inorganici)
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[Metabolismo Ibrido di LUCA] ── (Metalli + Primi Enzimi)
│
├─► Evoluzione Enzimi Batterici ──► BATTERI (Vita Libera) ──┐
│ ├─► DUE ORIGINI DISTINTE
└─► Evoluzione Enzimi Archeali ──► ARCHEI (Vita Libera) ──┘
Dal metallo alla biologia: la scoperta del metabolismo ibrido e di LUCA
Le cellule moderne utilizzano complessi catalizzatori biologici (proteine chiamate enzimi) per guidare una rete di circa 420 reazioni chimiche essenziali — nota come metabolismo — necessarie a produrre amminoacidi, vitamine e le basi del codice genetico.
Studiando questa rete metabolica, i ricercatori guidati dal professor William Martin si aspettavano che gli enzimi responsabili di queste 420 reazioni fossero identici sia nei batteri che negli archei. La sorpresa è stata enorme: le reazioni chimiche sono sì conservate in tutti i viventi, ma gli enzimi che le guidano sono diversi!
Ciò ha portato a una conclusione straordinaria sul nostro antenato comune universale, noto con l’acronimo LUCA (Last Universal Common Ancestor):
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LUCA non era una cellula autosufficiente: Possedeva enzimi biologici solo per circa la metà delle reazioni chimiche necessarie alla vita.
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L’ambiente faceva il resto del lavoro: L’altra metà delle reazioni metaboliche era catalizzata dai metalli (come il ferro, il nichel o il palladio) presenti naturalmente nelle rocce delle sorgenti idrotermali.
Come evidenziato dal chimico inorganico Harun Tüysüz e dal ricercatore Joseph Moran, la chimica primordiale della vita è stata un ibrido tra la chimica inorganica dei minerali e la biochimica degli enzimi. Solo successivamente batteri e archei hanno sviluppato autonomamente propri enzimi proteici per sostituire gradualmente i metalli forniti dall’ambiente.
L’enigma dell’energia: sostituire l’ATP prima della biologia moderna
Un altro fondamentale rompicapo risolto dallo studio riguarda l’energia. Ogni cellula moderna utilizza una molecola nota come ATP come “moneta energetica” per far funzionare il proprio metabolismo. L’ATP, tuttavia, è una struttura complessa che richiede enzimi avanzati per essere sintetizzata e non poteva semplicemente trovarsi pronta all’uso nell’ambiente primordiale.
Come facevano le prime reazioni a trovare l’energia necessaria per svolgersi?
La ricercatrice Manon Schlikker e il suo team hanno individuato una nuova fonte di energia puramente metabolica e inorganica:
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Il fosfito (una forma di fosforo presente nelle sorgenti idrotermali),
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In combinazione con il palladio (un metallo presente nelle rocce),
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Può reagire spontaneamente con i composti organici in acqua producendo la fosforilazione metabolica.
In sostanza, il fosfito e i metalli hanno sostituito l’ATP e gli enzimi prima che la biologia moderna facesse la sua comparsa, alimentando le prime reazioni della vita in modo del tutto naturale.
Matematica, algoritmi e la mappa in 420 tappe del metabolismo
Ricostruire l’ordine cronologico con cui 420 reazioni chimiche interconnesse si sono evolute è un problema matematico di straordinaria complessità.
Grazie alla collaborazione con il professor Mike Steel (Università di Canterbury) e il professor Daniel Huson (Università di Tubinga), il team ha sviluppato un algoritmo per ordinare le reazioni metaboliche dalla più semplice alla più complessa. Ciò ha permesso di mappare le quattro fasi dell’evoluzione catalitica:
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Fase Inorganica: Reazioni guidate esclusivamente dai metalli presenti nella crosta terrestre.
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Fase Ibrida (LUCA): Metalli ed enzimi primordiali lavorano fianco a fianco.
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Divergenza Evolutiva: Batteri e archei intraprendono strade separate.
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Indipendenza Cellulare: Sviluppo indipendente di enzimi specifici per sostituire definitivamente la dipendenza dalle rocce idrotermali.
Due origini della vita: la grande svolta concettuale
La conseguenza più profonda di questo studio, riassunta dal professor William Martin, scuote le fondamenta della teoria evolutiva: esiste un solo codice genetico universale, ma sono avvenute due distinte origini della vita cellulare autonoma.
Batteri e archei condividono la stessa “lingua” genetica (ereditata da LUCA), ma la transizione verso lo stato di cellule a vita libera — capaci di abbandonare le sorgenti idrotermali e conquistare gli oceani del pianeta — è avvenuta in modo parallelo e indipendente nei due rami.
| Caratteristica | Batteri Pionieri | Archei Pionieri |
| Evoluzione Enzimatica | Sviluppo di enzimi batterici specifici | Sviluppo indipendente di enzimi archeali |
| Dipendenza dai Metalli | Progressivamente eliminata | Progressivamente eliminata |
| Transizione alla Vita Libera | Autonoma | Autonoma |
| Habitat Attuale | Estremamente diffusi in ogni nicchia | Spesso legati ad ambienti estremi (acidofili, termofili) |
Considerazioni personali: un cambio di paradigma sul significato di “Vita”
Leggere i risultati di questo studio internazionale spinge a riflessioni profonde che vanno ben oltre la biochimica e la microbiologia.
La vita come inevitabilità geologica
Per lungo tempo la nascita della vita è stata considerata un evento quasi miracoloso, frutto di una combinazione irripetibile di coincidenze fortuite. Questa ricerca ci mostra invece una realtà diversa: la vita non è nata “contro” l’ambiente, ma dall’ambiente stesso. Il metabolismo primordiale non era altro che il proseguimento naturale della chimica minerale delle sorgenti idrotermali. La biologia, nelle sue fasi iniziali, è stata semplicemente l’estensione della geologia terrestre. Questo cambia radicalmente la nostra prospettiva: la vita non è un incidente raro, ma un’inevitabilità della fisica e della chimica quando si verificano determinate condizioni planetarie.
La tentazione di cercare la “singolarità” e la bellezza dell’evoluzione parallela
La scoperta che la vita cellulare autonoma è emersa due volte in modo indipendente demolisce l’idea rassicurante di un’unica “scintilla” da cui tutto avrebbe avuto origine in sequenza ordinata. Accettare che due diversi lignaggi cellulari abbiano sviluppato soluzioni enzimatiche distinte per risolvere lo stesso problema metabolico dimostra la straordinaria plasticità della materia viva. L’evoluzione non segue un unico binario obbligato, ma trova strade parallele per raggiungere lo stesso obiettivo: la sopravvivenza autonoma.
Implicazioni per la ricerca di vita astrobiologica
Se la chimica di base della vita richiede unicamente idrogeno, $CO_2$, fosfiti e metalli comuni in presenza di acqua calda, le probabilità di trovare forme di vita microbiche nell’universo aumentano in modo esponenziale. Lune oceaniche del nostro sistema solare, come Europa (satellite di Giove) o Encelado (satellite di Saturno), ospitano sui propri fondali oceanici sorgenti idrotermali del tutto analoghe a quelle della Terra primordiale. Sapere che la transizione dalla chimica inorganica alla vita cellulare a vita libera può avvenire persino con strade parallele ci autorizza a guardare a quei mondi alieni non più come deserti ghiacciati, ma come potenziali culle di nuove e distinte forme di vita.
Abstract
L’origine della vita ha richiesto l’emergere del metabolismo, una rete autocatalitica di reazioni enzimatiche che sintetizzano amminoacidi, nucleotidi e cofattori. All’origine del metabolismo non esistevano enzimi: come è iniziato? Mancano studi empirici sull’evoluzione metabolica primordiale. Sfruttando le strutture proteiche degli enzimi metabolici, identifichiamo stati intermedi nell’assemblaggio metabolico primordiale. Dimostriamo che il metabolismo enzimatico nell’antenato comune universale era incompleto, e che l’assemblaggio finale si è completato indipendentemente nei lignaggi che hanno portato a batteri e archei. I metalli di transizione nativi – ferro, cobalto, nichel e palladio – hanno agito come precursori catalitici sia degli enzimi che dei cofattori all’origine del metabolismo, mentre il fosfito ha fornito energia, fosforilando l’adenosina 5′-monofosfato in adenosina 5′-difosfato e la serina in fosfoserina utilizzando catalizzatori metallici nativi in acqua. La fosfite e i metalli nativi sono presenti nei sistemi idrotermali di serpentinizzazione, identificando un sito catalitico di origine metabolica che fornisce energia. I cofattori hanno liberato il metabolismo nascente dai catalizzatori metallici nativi, generando il suo stato autocatalitico.
Materiale fornito dall’Università Heinrich-Heine di Düsseldorf . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Natalia Mrnjavac, Nadja K. Hoffmann, Manon L. Schlikker, Maximilian Burmeister, Loraine Schwander, Carolina García García, Max Brabender, Mike Steel, Daniel H. Huson, Sabine Metzger, Quentin Dherbassy, Bernhard Schink, Mirko Basen, Joseph Moran, Harun Tüysüz, Martina Preiner, William F. Martin. Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent. Science Advances, 2026; 12 (32) DOI: 10.1126/sciadv.aef3128
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