Come hanno potuto i primi organismi viventi acquisire le loro caratteristiche unità costitutive?
Secondo un’ipotesi, questi composti si sono formati per effetto di potenti forze atmosferiche - radiazioni ultraviolette, scariche elettriche, eruzioni vulcaniche - sui gas presenti nell’atmosfera terrestre prebiotica, oppure sui soluti inorganici nei camini vulcanici surriscaldati presenti nei fondali oceanici. Questa ipotesi è stata verificata mediante un classico esperimento sull’origine abiotica della vita, condotto nel 1953 dal biochimico Miller nel laboratorio del chimico fisico Harold Urey. Miller sottopose delle miscele gassose simili a quelle presumibilmente presenti sulla terra in era prebiotica, contenenti NH3, CH4, H20 e H2, a scariche elettriche prodotte da una coppia di elettrodi a simulare i fulmini per periodi di una settimana o piu, quindi analizzò il contenuto del recipiente in cui era venuta la reazione. La fase gassosa della miscela risultante conteneva CO e CO2, oltre ai composti di partenza. La fase acquosa conteneva una serie di composti organici, come alcuni amminoacidi, idrossiacidi, aldeidi e HCN. Questo esperimento dimostrò la possibilità di produzione abiotica di biomolecole in tempi relativamente brevi e in condizioni relativamente blande.
Altri esperimenti condotti con tecniche più sofisticate hanno dimostrato che nelle condizioni dell’esperimento di Miller possono formarsi molti dei componenti chimici presenti nelle cellule viventi. I polimeri di RNA possono agire da catalizzatori in reazioni biologicamente significative; questi RNA probabilmente ebbero un ruolo cruciale nell’evoluzione prebiotica, sia come catalizzatori sia come depositari iniziali dell’informazione.
Le molecole di RNA o i loro precursori potrebbero essere stati i primi geni e i primi catalizzatori:
La scoperta che le molecole di RNA possono agire da catalizzatori nelle reazioni coinvolte nella loro stessa formazione suggerisce che l’RNA, o una molecola simile, possa essere stato il primo gene e al tempo stesso il primo catalizzatore. In base a questo nuovo scenario, la prima tappa dell’evoluzione biologica sarebbe stata la formazione casuale di una molecola di RNA che aveva la capacità di catalizzare la formazione di altre molecole di RNA con la stessa sequenza: una molecola di RNA autoreplicante e quindi autoperpetuante. La concentrazione di una molecola con queste proprietà sarebbe aumentata in modo esponenziale. La fedeltà dell’autoreplicazione era probabilmente tutt’altro che perfetta, e quindi il processo produceva molecole di RNA varianti, alcune delle quali potevano essere in grado di autoreplicarsi meglio. Nella competizione per i nucleotidi liberi, le molecole più efficienti nell’autoreplicazione avranno avuto il sopravvento su quelle meno efficienti con il risultato di farle sparire dalla popolazione. In base all’ipotesi di un iniziale mondo a RNA, la divisione delle funzioni tra DNA e proteine fu il risultato di un’evoluzione successiva.
Le cellule eucariote si sono evolute da precursori più semplici in diverse tappe:A partire da 1,5 miliardi di anni fa, i reperti fossili dimostrano l’esistenza di differenti organismi grandi e complessi, probabilmente le cellule eucariote più primitive. Le tappe relative al meccanismo evolutivo da cellule non nucleate a cellule nucleate non possono essere dedotte solamente dai resti fossili: attraverso confronti morfologici e biochimici con gli organismi attuali è stato infatti possibile stabilire una sequenza di eventi in accordo con i ritrovamenti fossili. Affinché i procarioti potessero dare origine agli eucarioti dovettero avvenire tre grandi cambiamenti:
- Innanzitutto, appena la cellula acquisì una maggior quantità di DNA, divennero più elaborati i meccanismi capaci di ripiegarlo e compattarlo in complessi discreti insieme a specifica proteine, e di ripartirlo durante la divisione in parti uguali tra le cellule figlie. Per questo furono necessarie proteine capaci di stabilizzare il ripiegamenti di DNA e di separare i complessi DNA-proteina, i cromosomi.
- In secondo luogo, quando le cellule aumentarono di dimensioni si sviluppò un sistema di membrane intracellulare compresa una doppia membrana intorno al DNA, che separò il processo di sintesi dell’RNA che utilizza il DNA come stampo, dai processi citoplasmatici di sintesi delle proteine, che avvengono sui ribosomi. Questo processo rappresentò l’evoluzione del nucleo, una caratteristica specifica degli eucarioti.
- Infine, le cellule eucariote primitive, che non erano in grado di compiere la fotosintesi o il metabolismo aerobico, inglobarono batteri fotosintetici o aerobici, generando un’associazione endosimbiotica che divenne poi permanente. In stadi successivi dell’evoluzione gli organismi unicellulari trovarono vantaggioso unirsi tra loro acquisendo maggiore mobilità, efficienza e successo riproduttivo rispetto ai loro competitori. Quindi, l’evoluzione di ogni gruppo di organismi portò ad associazioni permanenti tra singole cellule e infine a specializzazione all’interno delle colonie, cioè al differenziamento cellulare. I vantaggi della specializzazione cellulare portarono all’evoluzione di organismi sempre più complessi e altamente differenziati, in cui alcune cellule hanno funzioni sensoriali, altre digestive, fotosintetiche o riproduttive.