Percorso: L’Origine della Vita
Modulo 4
Prerequisiti:
Modulo 2
Modulo 3
Guida alla lettura
Disclaimer
1. Dove eravamo rimasti
Il modulo precedente si è chiuso con un bilancio severo: la chimica prebiotica sa fabbricare alcuni mattoni della vita, ma non sa come assemblarli, come evitare il catrame e il disordine, né come superare i vicoli ciechi che la chimica reale oppone a ogni passo. E sotto tutto, dal Modulo 2, restava il problema più profondo: la circolarità tra DNA e proteine, l’uovo e la gallina della vita. Per costruire le proteine servono le istruzioni del DNA, ma per leggere quelle istruzioni servono già le proteine: è il celebre paradosso dell’uovo e della gallina che l’ipotesi del mondo a RNA promette di sciogliere.
A questo nodo, negli ultimi decenni, è stata proposta una via d’uscita tanto elegante da essere diventata l’ipotesi dominante sull’origine della vita: il mondo a RNA. In questo modulo la prenderemo sul serio. La presenteremo prima nella sua forma migliore, spiegando perché tanti ricercatori la considerano la pista più promettente; poi ne esamineremo onestamente i limiti. L’obiettivo non è demolire un’ipotesi altrui, ma capire fino a che punto risolva davvero il problema — e fino a che punto, invece, lo sposti soltanto.
2. Il paradosso da risolvere
Conviene ricordare con precisione il problema che il mondo a RNA vuole superare, perché è la chiave di tutto. Nella cellula attuale, l’informazione è custodita nel DNA, ma il DNA da solo è inerte: per essere copiato e tradotto ha bisogno di un’infrastruttura di proteine specializzate. E quelle proteine, a loro volta, vengono costruite leggendo le istruzioni del DNA. Sono due componenti che si presuppongono a vicenda: niente proteine senza DNA, niente DNA utilizzabile senza proteine. Per avviare la vita servono entrambi, già funzionanti e già coordinati.
Questo problema ha tormentato la ricerca sull’origine della vita per decenni, perché qualunque scenario che parta da uno solo dei due ingredienti sembra condannato. Una zuppa di sole proteine non conserva informazione ereditabile; una zuppa di solo DNA non può fare nulla. Serviva una terza via: una singola molecola capace di fare entrambi i mestieri — conservare informazione e agire da catalizzatore — così da rendere superfluo, all’inizio, l’intero sistema interdipendente DNA-proteine. Per anni una molecola simile sembrò non esistere. Poi arrivò una scoperta che cambiò il quadro.
Conviene ricordare che, prima di arrivarci, i ricercatori avevano già tentato due strade, entrambe arenatesi. La prima, «le proteine prima»: ma le proteine non conservano informazione ereditabile, e senza un archivio non c’è nulla da trasmettere ai discendenti, dunque nessuna possibilità di evoluzione. La seconda, «il DNA prima»: ma il DNA, da solo, è una molecola passiva, incapace di copiarsi senza un corredo di enzimi proteici. Ogni volta il vicolo cieco era lo stesso: l’informazione e la macchina che la usa sembravano richiedersi a vicenda. È su questo sfondo di fallimenti che l’idea di una molecola «tuttofare» apparve come una boccata d’aria.
3. La scoperta che cambiò tutto: i ribozimi
Negli anni Ottanta, il biochimico Thomas Cech e, indipendentemente, Sidney Altman fecero una scoperta sorprendente: alcune molecole di RNA non si limitano a portare informazione, ma possiedono anche modeste capacità catalitiche. Conviene fissare il termine, perché è centrale. Un catalizzatore è una sostanza che accelera enormemente una reazione chimica senza venirne consumata, rendendo possibile in tempi brevissimi ciò che altrimenti richiederebbe ere geologiche; nelle cellule i catalizzatori per eccellenza sono gli enzimi, e fino agli anni Ottanta si riteneva, senza eccezioni, che gli enzimi fossero proteine. Fu questa certezza a essere infranta: si scoprì che anche l’RNA può accelerare e dirigere certe reazioni, proprio come fa un enzima proteico.
La scoperta nacque dallo studio di un microrganismo, il protozoo Tetrahymena: Cech osservò che un certo tratto di RNA era capace di «tagliarsi» ed eliminare da sé una propria porzione, senza l’aiuto di alcuna proteina. Era un RNA che agiva su sé stesso come un enzima — la prova diretta che la catalisi non era un monopolio delle proteine. La cosa fu così importante da valere ai due ricercatori il premio Nobel per la chimica nel 1989. Queste molecole di RNA dotate di attività catalitica furono battezzate ribozimi (una fusione delle parole «RNA» ed «enzima»).
L’importanza della scoperta, per il problema dell’origine della vita, fu colta immediatamente. L’RNA, infatti, ha una caratteristica che lo rende unico: a differenza delle proteine, può fungere da stampo — le sue basi si appaiano in modo complementare, esattamente come quelle del DNA — e quindi può, in linea di principio, guidare la copia di sé stesso. Se per giunta può anche catalizzare reazioni, allora una singola molecola di RNA potrebbe in teoria fare le due cose insieme: conservare informazione come il DNA e catalizzare la propria replicazione come un enzima. Era esattamente la molecola «a doppio mestiere» che serviva per uscire dal paradosso.
4. L’idea del «mondo a RNA»
Su questa base, nel 1986, il biologo molecolare Walter Gilbert — premio Nobel anch’egli — formulò e battezzò l’ipotesi del «mondo a RNA». L’idea è che, prima dell’attuale sistema basato su DNA e proteine, sia esistita una fase iniziale della vita in cui l’RNA svolgeva da solo entrambi i ruoli: archivio dell’informazione e macchina catalitica. In quel mondo primordiale, l’uovo e la gallina non si confonderebbero più, perché ci sarebbe un’unica «creatura» a fare tutto.
Lo scenario, nella sua forma classica, combina caso e necessità. Per caso, dall’associazione fortuita di basi, zuccheri e fosfati in una zuppa prebiotica, sarebbe emersa una molecola di RNA capace di copiare sé stessa. Da quel momento sarebbe entrata in gioco la necessità, sotto forma di selezione naturale: le molecole che si copiavano meglio si sarebbero diffuse, accumulando per tentativi ed errori funzioni sempre più raffinate, fino ad arrivare — molto più tardi — a «inventare» le proteine e a delegare loro la catalisi, e il DNA per l’archiviazione, dando origine al sistema moderno. È uno scenario affascinante: trasforma un problema apparentemente impossibile (far comparire insieme due sistemi interdipendenti) in un problema apparentemente affrontabile (far comparire una sola molecola che poi evolve).
Si capisce perché l’idea abbia conquistato tanti ricercatori. Spostava il problema da un terreno apparentemente disperato — la fortuna cieca che fa comparire due macchine già coordinate — a un terreno familiare e rispettabile: quello dell’evoluzione per selezione, lo stesso meccanismo che la biologia invoca per tutto il resto della storia della vita. Bastava far comparire il primo replicatore, e il «darwinismo molecolare» avrebbe fatto il resto. Il mondo a RNA prometteva, in sostanza, di estendere la potenza esplicativa della selezione naturale fino alle soglie stesse della vita — un’ambizione comprensibile, e parte non piccola del suo fascino.
5. Perché è un’ipotesi seria
Prima di passare ai limiti, è giusto riconoscere i punti di forza del mondo a RNA, perché non è affatto un’idea peregrina. Primo, è economica: invece di richiedere la comparsa simultanea di due classi di molecole coordinate, ne richiede una sola, lasciando il resto all’evoluzione. È il tipo di semplificazione che gli scienziati, a ragione, apprezzano.
Secondo, ha un indizio importante a suo favore proprio nel cuore della cellula moderna. Il ribosoma — la macchina che assembla le proteine, incontrata nel Modulo 2 — compie la sua reazione chiave, la formazione del legame fra gli amminoacidi, grazie a una porzione fatta di RNA, non di proteine. In altre parole, al centro della traduzione c’è ancora oggi un ribozima: una traccia, secondo i sostenitori, di un’epoca in cui l’RNA faceva il lavoro che poi è passato alle proteine. Questo indizio si è rafforzato negli anni Duemila, quando la struttura dettagliata del ribosoma — chiarita da ricerche premiate a loro volta con il Nobel — confermò che il punto esatto in cui si saldano gli amminoacidi è costituito di RNA. Per molti ricercatori è l’argomento più solido a favore dell’idea che, in qualche forma, un’epoca dominata dall’RNA ci sia davvero stata.
Terzo, in laboratorio i ricercatori sono riusciti a costruire ribozimi capaci di varie funzioni — tagliare RNA, unire frammenti, e altro — dimostrando che il repertorio catalitico dell’RNA è più ampio di quanto si pensasse. Sono argomenti reali, e vanno soppesati con onestà. È proprio perché l’ipotesi è seria che merita un esame altrettanto serio dei suoi problemi.
6. Primo limite: l’RNA è difficilissimo da ottenere
Il primo ostacolo lo abbiamo già incontrato nel Modulo 3, e qui si limita a tornare con forza raddoppiata. Tutto lo scenario parte da una premessa: che in una zuppa prebiotica sia comparsa, spontaneamente, una molecola di RNA. Ma fabbricare RNA in condizioni naturali non guidate è, fra tutti i compiti della chimica prebiotica, forse il più arduo.
Ogni nucleotide dell’RNA è esso stesso composto da più pezzi — una base, uno zucchero (il ribosio) e un fosfato — e i processi che li formano sono chimicamente incompatibili fra loro, come mostra il «catch-22» dello zucchero visto nel modulo scorso: le condizioni che producono le basi azotate impediscono di produrre il ribosio. E non basta avere i tre pezzi separati: vanno uniti nel modo giusto. La base va agganciata allo zucchero in un punto preciso e con il corretto orientamento (il cosiddetto legame glicosidico), e il fosfato deve legarsi a sua volta nella posizione esatta; in condizioni non guidate queste unioni avvengono di rado e producono soprattutto combinazioni sbagliate. Assemblare anche un solo nucleotide corretto, prima ancora di pensare a una catena, è già un’impresa.
A tutto ciò si aggiungono il problema del disordine, le reazioni interferenti e l’instabilità di basi come la citosina. Non sorprende che Gerald Joyce e Leslie Orgel, due fra i massimi esperti, abbiano definito l’RNA «l’incubo del chimico prebiotico», e la sua comparsa spontanea «un quasi miracolo». Lo riconobbe candidamente anche un divulgatore scientifico commentando un risultato celebrato come svolta: il lavoro lasciava senza risposta la domanda più importante, cioè come fosse comparso l’RNA in primo luogo. Il mondo a RNA, insomma, comincia chiedendo in dono proprio ciò che la chimica non sa fornire. Per l’analisi dettagliata di questi ostacoli rimandiamo all’articolo Perché la principale teoria sull’origine della vita non regge.
7. Secondo limite: i ribozimi sono pessimi sostituti delle proteine
Supponiamo, di nuovo per amore di discussione, che l’RNA sia comparso. Resta un problema più profondo: l’RNA è un catalizzatore molto più debole e limitato delle proteine. I ribozimi noti svolgono solo una piccolissima frazione delle migliaia di funzioni che le proteine compiono nella cellula, e quasi sempre in modo più goffo e meno efficiente.
La ragione è chimica e strutturale. Le proteine sono costruite con venti amminoacidi diversi, dotati di «code» laterali dalle proprietà molto varie; questa ricchezza permette loro di ripiegarsi in forme tridimensionali estremamente complesse e precise, e sono proprio quelle forme a rendere possibile la catalisi raffinata. L’RNA, fatto di sole quattro basi chimicamente più uniformi, non riesce a formare la stessa varietà di geometrie sottili, e perciò il suo repertorio resta limitato. Per avere un’idea del divario: le proteine di una cellula svolgono migliaia di compiti diversi — accelerano reazioni, trasportano molecole, fanno da motori, da pompe, da impalcature strutturali, da sensori — con un’efficienza e una specificità che i ribozimi noti non si avvicinano nemmeno a eguagliare. Affidare all’RNA tutto il lavoro che oggi svolgono le proteine è come chiedere a un coltellino multiuso di sostituire un’intera officina. C’è di più, ed è il punto decisivo: i singoli ribozimi non sanno accoppiare reazioni a più stadi nel modo in cui lo fanno gli enzimi veri. Un enzima, per esempio una sintetasi, lega insieme una reazione energeticamente favorevole e una sfavorevole, facendone avvenire una che da sola non procederebbe — un po’ come l’acqua che, abbondante, riesce a risalire un argine. I ribozimi, di norma, non fanno questo. È stato detto con un’immagine efficace: nel mondo a RNA, ogni pony sa fare un solo trucco. E anche se si riunissero tutti i pony necessari, ciascuno farebbe il proprio trucco separatamente, scollegato dagli altri — mentre la vita richiede che molti trucchi siano accoppiati e coordinati in modo strettissimo, quasi simultaneo. È esattamente ciò che gli enzimi proteici fanno e i catalizzatori a RNA no.
Lo si tocca con mano proprio nel ribosoma. Quando si isola l’RNA ribosomiale «libero», separandolo dalle proteine che normalmente lo accompagnano, esso riesce a catalizzare la formazione del legame peptidico solo con l’aiuto di un altro catalizzatore, e per giunta non costringe gli amminoacidi a disporsi in catene lineari ordinate — cosa invece essenziale perché una proteina funzioni. L’indizio che i sostenitori citano a favore del mondo a RNA, cioè il ribozima al cuore del ribosoma, da solo non basta nemmeno a costruire una proteina.
8. Terzo limite: l’RNA autoreplicante non esiste
Il cuore dell’ipotesi è una molecola di RNA capace di copiare sé stessa. Ebbene: a tutt’oggi, nonostante decenni di ricerca intensa e ingegnosa, una simile molecola non è mai stata trovata né costruita in forma davvero autosufficiente.
Si potrebbe obiettare che qualche risultato è stato annunciato in tal senso, e in effetti è così — ma vale la pena guardarlo da vicino, perché è istruttivo. In un esperimento spesso citato, due ricercatori dichiararono di aver ottenuto un RNA «autoreplicante». In realtà avevano progettato loro la molecola di partenza e poi sintetizzato a mano due frammenti complementari, accuratamente sequenziati per combaciare; il «ribozima» si limitava a unire quei due pezzi già pronti con un singolo legame. In altre parole, l’informazione e il lavoro di sequenziamento erano stati forniti dagli sperimentatori: più che una replicazione diretta dall’RNA, era una replicazione diretta dalla mente del ricercatore. È lo stesso schema che abbiamo visto per la chimica prebiotica nel Modulo 3: il successo dipende dall’intervento informato di un’intelligenza, non da un processo spontaneo.
E qui si chiude un cerchio paradossale che gli stessi Joyce e Orgel hanno descritto con onestà, in una sezione intitolata «un altro paradosso dell’uovo e della gallina». La selezione naturale, l’abbiamo detto, dovrebbe affinare la molecola autoreplicante; ma la selezione naturale può agire solo su qualcosa che già si replica. Senza evoluzione è improbabile che nasca un ribozima autoreplicante; ma senza un ribozima autoreplicante non c’è evoluzione che possa cercarlo. Lo stesso mito di una molecola di RNA che sorge già autoreplicante da una zuppa casuale, hanno scritto i due studiosi, è irrealistico alla luce della chimica conosciuta. Il motore che dovrebbe far partire tutto, insomma, non riesce ad accendersi da solo.
Vale la pena chiarire un equivoco diffuso, perché tocca proprio questo punto. In laboratorio si parla spesso di «evoluzione in provetta» dell’RNA, e si ottengono effettivamente ribozimi con capacità nuove e talvolta notevoli. Ma quella «evoluzione» è guidata: a ogni ciclo è lo sperimentatore a decidere quali molecole conservare, amplificare e modificare, in base all’obiettivo che ha in mente. È, di nuovo, una selezione operata da una mente verso un fine prefissato, non un processo cieco. Togliendo la mano del ricercatore — la sua conoscenza del bersaglio e le sue scelte a ogni passaggio — il processo si ferma. Anche i successi più spettacolari del mondo a RNA, a guardarli da vicino, portano la firma di chi li ha ottenuti.
9. Quarto limite: il salto al codice resta inspiegato
Concediamo, per pura ipotesi, anche un RNA autoreplicante. Resterebbe da spiegare il passaggio più difficile di tutti: come da un mondo di RNA si sia arrivati al sistema attuale, con il suo codice genetico e il suo apparato di traduzione — proprio ciò di cui parlava il Modulo 2. E qui i numeri tornano spietati.
Perché esista un codice servono molecole capaci di legare ogni amminoacido al «segnale» giusto: nella cellula attuale lo fanno le venti sintetasi proteiche. In un mondo a RNA, il loro ruolo dovrebbe essere svolto da ribozimi. Ma trovare anche un solo ribozima capace di compiere il passo fondamentale (agganciare un amminoacido a un RNA) è rarissimo: in un celebre esperimento, i ricercatori dovettero setacciare un insieme pre-ingegnerizzato di circa 170.000 miliardi di molecole di RNA per trovarne una sola con quella capacità — una probabilità dell’ordine di una su 1014. Per costruire un codice completo non ne servirebbe però uno, ma venti diversi, ciascuno per un amminoacido, e tutti riuniti e coordinati nello stesso luogo. Se ognuno è raro all’incirca come il primo, la probabilità di averne due insieme è il quadrato (meno di una su 1028), tre insieme il cubo, e venti insieme una cifra proibitiva — peggio di una su 10280. Tradotto in informazione, superare queste probabilità richiederebbe l’iniezione di centinaia di bit di informazione specificata — le stime parlano di quasi mille bit per il solo insieme delle venti funzioni. E non è finita: tutti questi ribozimi dovrebbero per giunta trovarsi rinchiusi insieme in un compartimento che li tenga vicini e li protegga dall’interferenza degli innumerevoli RNA inutili presenti intorno — un’ulteriore condizione tutt’altro che gratuita. È il classico problema dell’informazione che il Modulo 2 aveva già messo a fuoco: il mondo a RNA non lo risolve, lo eredita intatto. Non a caso, l’origine del sistema di traduzione è stata definita da due eminenti biologi un «enigma universale» ancora aperto.
10. Sposta il problema, non lo risolve
Possiamo ora tirare le fila. Il mondo a RNA è un’idea brillante perché trasforma un problema in apparenza insolubile — la comparsa simultanea di DNA e proteine — in una serie di problemi che sembrano più piccoli. Ma a un esame ravvicinato, ciascuno di quei problemi più piccoli si rivela, a sua volta, formidabile: ottenere l’RNA, dotarlo di capacità catalitiche degne di una proteina, farlo autoreplicare, e infine farlo «inventare» il codice e la traduzione.
Soprattutto, il problema centrale — l’origine dell’informazione specificata — non viene risolto, ma soltanto spostato indietro di un passo. All’inizio bisognava spiegare l’informazione contenuta nel DNA e nelle proteine; ora bisogna spiegare l’informazione contenuta nel primo RNA funzionante e autoreplicante, che non è meno improbabile. Come ammise con franchezza un divulgatore, l’ipotesi lascia senza risposta la domanda da cui tutto dipende: come è nato l’RNA, in primo luogo? Spostare una difficoltà non è risolverla; e il mondo a RNA, per quanto ingegnoso, sposta la difficoltà senza scioglierla.
Conviene riassumere la catena delle concessioni, perché è illuminante. Anche se l’RNA fosse comparso — cosa che la chimica non sa spiegare; anche se fosse stato dotato di capacità catalitiche degne di una proteina — cosa che la sua chimica non consente; anche se avesse imparato a copiare sé stesso — cosa mai osservata senza la guida di un ricercatore; anche se avesse poi generato un codice e un apparato di traduzione — un evento dalla probabilità proibitiva: solo dopo tutti questi «se» il mondo a RNA spiegherebbe l’origine della vita. Ma ogni «se» è un ostacolo che resta in piedi, e mettere in fila quattro ostacoli non superati non costruisce una spiegazione: costruisce, semmai, la misura di quanto il problema sia ancora aperto.
11. Non lo diciamo solo noi
Anche qui, le voci più caute non sono quelle dei sostenitori del disegno intelligente, ma quelle degli specialisti. Joyce e Orgel — che hanno dedicato la vita al problema — hanno parlato di «quasi miracolo» e di «incubo del chimico prebiotico», e hanno descritto il paradosso dell’uovo e della gallina che affligge l’autoreplicazione. Essi stessi hanno osservato che la comunità si divide in due campi: gli ottimisti, spesso biologi molecolari, convinti che i chimici esagerino le difficoltà; e i chimici, molto più pessimisti — fra i quali i due autori si collocavano.
Vale la pena sottolineare un punto, per equilibrio: nulla di tutto questo dimostra che il mondo a RNA sia falso. È un programma di ricerca vivo e legittimo, e i suoi sostenitori lavorano seriamente per colmarne le lacune; scoperte future potrebbero cambiare il quadro. Ciò che i dati attuali non autorizzano è la diffusa presentazione del mondo a RNA come una soluzione ormai raggiunta. Allo stato, è un’ipotesi promettente con problemi profondi e irrisolti — non una spiegazione.
12. Verso l’inferenza al design
Che cosa trarne, con la consueta cautela? L’inferenza al design non si fonda sull’idea che «il mondo a RNA è fallito, dunque è progetto». Si fonda, ancora una volta, su una conoscenza positiva. Il filo che attraversa tutti i moduli è uno solo: l’origine della vita è, al fondo, l’origine di una grande quantità di informazione specificata, e ogni ipotesi naturalistica esaminata — chimica prebiotica, mondo a RNA — si infrange proprio su quel punto, lasciandolo dove l’aveva trovato. Nella nostra esperienza, l’unica causa nota capace di produrre informazione specificata di questo tipo è l’intelligenza.
Restano fermi i limiti dichiarati in tutto il sito: l’inferenza non identifica un meccanismo, non descrive un progettista, non è falsificabile nel senso stretto. Per questo la presentiamo come una deduzione logica, filosofica e metafisica basata su dati scientifici, non come un dogma né come una teoria scientifica in senso pieno. Ma quando un’ipotesi dopo l’altra sposta il problema dell’informazione senza mai risolverlo, è intellettualmente onesto chiedersi se la risposta non vada cercata in una categoria diversa da quella del caso e delle leggi cieche. Per l’inquadramento completo rimandiamo all’articolo fondativo del sito.
Nel prossimo modulo lasceremo le singole molecole e affronteremo la cellula nel suo insieme: che cosa serve, come minimo, perché qualcosa sia «vivo»? Vedremo quanto è alto il gradino fra una molecola, per quanto abile, e la più semplice cellula capace di vivere e riprodursi.
Prossimo Modulo
Nel Modulo 5 — Dalla molecola alla cellula: membrane, metabolismo e la cellula minima — affronteremo il salto dall’eventuale «replicatore» primordiale alla cellula vera e propria: la membrana che la racchiude, il metabolismo che la alimenta, e il numero minimo di componenti che servono perché un organismo possa dirsi vivo.
Per approfondire
- Perché la principale teoria sull’origine della vita non regge — l’analisi chimica e molecolare dettagliata dei problemi del mondo a RNA.
- Il codice della vita — il problema del codice genetico, che il mondo a RNA eredita senza risolvere.
- La chimica prebiotica — perché ottenere l’RNA in natura è così difficile.
Riferimenti
Behe, M. J. (1996). Darwin’s Black Box: The Biochemical Challenge to Evolution. Free Press.
Gilbert, W. (1986). “The RNA World.” Nature, 319, 618.
Horgan, J. (1996). “The World According to RNA.” Scientific American, 274(1), 27.
Joyce, G. F., & Orgel, L. E. (1993). “Prospects for Understanding the Origin of the RNA World.” In The RNA World, Cold Spring Harbor Laboratory Press.
Meyer, S. C. (2009). Signature in the Cell: DNA and the Evidence for Intelligent Design. HarperOne.
Behe, M. J., Dembski, W. A., & Meyer, S. C. (2000). Science and Evidence for Design in the Universe. Ignatius Press.
Wolf, Y. I., & Koonin, E. V. (2007). “On the Origin of the Translation System and the Genetic Code.” Biology Direct, 2, 14.
