I viventi possiedono un elevato grado di organizzazione, che consiste nella

regolarità di tutti i loro componenti e nella gerarchizzazione degli stessi in

livelli che vanno da un ordine di grandezza microscopico a uno

macroscopico. Tutti i viventi sono costituiti da atomi che si organizzano in

molecole; queste formano strutture più complesse, le cellule, che

rappresentano i "mattoni" di costruzione degli organismi. Nei pluricellulari, le

cellule formano strutture organizzate di livello superiore, i tessuti, gli organi e

gli apparati, che nel loro insieme formano l'intero organismo. Ciascuna

parte è in grado di interagire con le altre; le diverse funzioni risultano così

coordinate.

Poiché l'aumento di complessità si accompagna a una maggiore

organizzazione strutturale dell'organismo, apparentemente esso comporta

una diminuzione di entropia e sembra, pertanto, contraddire il secondo

principio della termodinamica. Tuttavia, i cambiamenti interni all'organismo

producono variazioni nell'ambiente esterno che, sommati ai primi,

producono un aumento dell'entropia complessiva del sistema. Quindi, tra la

vita e le leggi fondamentali della fisica e della chimica non vi è alcun conflitto

e, anzi, queste discipline classiche, insieme agli studi più recenti di biologia

molecolare, genetica e biochimica, hanno avuto un ruolo fondamentale nella

comprensione della natura degli organismi viventi.

L'origine degli eucarioti

I biologi William Martin e Miklós Müller formulano una nuova ipotesi

sull'origine della prima cellula eucariotica, cioè della prima cellula dotata di

un nucleo delimitato da una membrana propria nella quale è contenuto il

materiale genetico. In questo articolo tratto dall'Annuario Encarta del marzo

del 1998 si riferisce come la nuova teoria si proponga di chiarire una delle

più importanti e più antiche tappe evolutive della vita sulla terra, quella del

passaggio da cellula procariotica a cellula eucariotica, finora scarsamente

testimoniato dai reperti fossili.


La differenza tra procarioti ed eucarioti è molto netta, al punto che non si

conoscono specie viventi con strutture intermedie. I procarioti sono tutti

unicellulari e all'interno dell'unica cellula che li compone non si osserva

alcuna compartimentazione dovuta a membrane interne: anche il materiale

genetico si trova libero nel citoplasma. Tra gli eucarioti invece, oltre a

organismi unicellulari, si trovano tutti gli organismi pluricellulari. I procarioti

sono divisi in due regni distinti: Archea, a cui appartengono gli

archeobatteri, ed Eubacteria, a cui appartengono i batteri veri e propri, detti

anche eubatteri. La distinzione degli archeobatteri dai batteri si basa su

importanti differenze biochimiche e molecolari, tra le quali la mancanza di

acido muramico nella parete della cellula degli archeobatteri. A differenza

degli eubatteri, gli archeobatteri si rinvengono spesso in ambienti

caratterizzati da valori estremi di salinità, temperatura e anossia che,

secondo alcuni scienziati, riprodurrebbero le primitive condizioni in cui si

sarebbe originata la vita sulla Terra.


Gli eucarioti appartengono al regno Eucarya. Nelle cellule che li

compongono si possono distinguere sia un vero e proprio nucleo delimitato

da una membrana sia alcuni organelli, anch'essi delimitati da una

membrana, che hanno morfologia e funzionalità proprie e sono dotati di una

molecola di DNA codificante un ristretto numero di proteine. Tali organelli si

distinguono in mitocondri e cloroplasti. I mitocondri producono energia, che

viene immagazzinata nella molecola nota come ATP, ossidando le sostanze

organiche fino a ottenere anidride carbonica e acqua mediante l'ossigeno

molecolare (O2) secondo una serie di processi metabolici denominati, nel

complesso, respirazione cellulare. I cloroplasti sono gli organelli

responsabili della fotosintesi nelle piante.


Secondo uno studio pubblicato nel 1998 dalla rivista scientifica 'Nature' le

prime cellule eucariotiche sarebbero comparse a seguito di una simbiosi

tra un archeobatterio, il cui metabolismo dipendeva dalla presenza di

idrogeno, e un batterio, che generava idrogeno quale prodotto di scarto del

proprio metabolismo. L'archeobatterio sarebbe stato strettamente

anaerobio, avrebbe cioè richiesto la totale assenza di ossigeno

nell'ambiente in cui viveva, mentre il batterio produttore di idrogeno sarebbe

stato un anaerobio facoltativo, in grado cioè vivere sia in presenza sia in

assenza di ossigeno.


Finora la più accreditata teoria per spiegare il passaggio da procarioti a

eucarioti era quella dell'americana Lynn Margulis, che proponeva una

spiegazione della comparsa dei mitocondri e dei cloroplasti basata su

fenomeni di endosimbiosi. L'endosimbiosi è un tipo di relazione che può

incorrere tra due organismi allorché uno è in grado di ospitare l'altro nel

proprio interno. Da questa relazione entrambi i contraenti traggono un

vantaggio.


Secondo Margulis, in alcune linee ancestrali di procarioti anaerobi

sarebbero comparse le membrane interne e il citoscheletro, un sistema di

proteine filamentose che dà forma alla cellula e le permette il movimento.

Queste strutture avrebbero consentito al nuovo tipo di microrganismo (detto

proto-eucariote) di inglobare particelle solide, contribuendo al suo successo

evolutivo. Il proto-eucariote poteva nutrirsi inglobando e digerendo anche i

procarioti, alcuni dei quali sarebbero sopravvissuti come endosimbionti

all'interno della cellula predatrice, generando un'associazione vantaggiosa

sia per il microrganismo ospitante sia per quello ospite. Un batterio in grado

di produrre ATP utilizzando l'ossigeno presente nell'ambiente avrebbe

garantito al proto-eucariote questa molecola, ottenendo in cambio sostanze

utili al proprio metabolismo e protezione da eventuali altri predatori.


Le informazioni genetiche indispensabili al procariote ospite per vivere

autonomamente si sarebbero in seguito perse, mentre quelle utili per la

respirazione cellulare sarebbero state trasferite quasi interamente nel

nucleo della cellula ospitante. Ciò avrebbe portato alla trasformazione

dell'endosimbionte in un mitocondrio e dunque alla comparsa di un nuovo

tipo di cellula (la cellula eucariotica) in grado di compiere la respirazione.

Un fenomeno di endosimbiosi analogo avrebbe condotto, a partire da un

organismo simile a un attuale cianobatterio ospitato all'interno di un proto-

eucariote, alla comparsa del cloroplasto all'interno della cellula vegetale.

L'elemento centrale della tesi di Margulis è dunque l'insorgenza di

un'associazione di tipo endosimbiotico, basata sulla capacità della cellula

ospite di compiere la respirazione e sull'interesse della cellula ospitante ad

acquisire tale capacità. La teoria sembrerebbe confermata dalla presenza

nel genoma degli eucarioti di geni di origine batterica, ma non spiega né la

presenza di alcuni geni che non hanno nulla a che fare con le funzioni

respiratorie né quella di geni di tipo mitocondriale nel genoma degli

eucarioti privi di mitocondri.


Secondo la nuova ipotesi, formulata da William Martin e Myklós Müller, un

archeobatterio anaerobio il cui metabolismo dipendeva in modo stretto

dall'idrogeno avrebbe instaurato un'associazione simbiotica con un tipo di

batterio capace di compiere la respirazione, ma soprattutto di produrre

idrogeno e anidride carbonica quali prodotti metabolici di scarto. La

comparsa della cellula progenitrice degli eucarioti sarebbe stata favorita

dalla dipendenza dell'archeobatterio dall'idrogeno prodotto dal simbionte.

L'attività di maggior rilievo di quest'ultimo sarebbe stata infatti il rilascio di

idrogeno molecolare (H2) e anidride carbonica (CO2) quali prodotti di

scarto del proprio metabolismo. La cellula ospitante avrebbe utilizzato

l'idrogeno molecolare e l'anidride carbonica come uniche fonti di energia e

carbonio.


In un primo tempo il metabolismo dei due microrganismi avrebbe funzionato

in modo simultaneo, ma indipendente, negli ambienti privi di ossigeno.

L'assenza di fonti esterne di idrogeno avrebbe generato la dipendenza

dell'archeobatterio dal proprio simbionte, favorendo l'associazione fisica tra

i due microrganismi, che sarebbe diventata sempre più stretta fino a

prevedere la definitiva presenza della cellula produttrice di idrogeno

nell'archeobatterio. Il trasferimento di geni dall'ospite, adesso

endosimbionte, avrebbe fornito alla cellula ospitante le informazioni

genetiche necessarie per la produzione degli enzimi coinvolti nella glicolisi

(il processo biochimico che prelude alla respirazione e che conduce alla

formazione di ATP in modo anaerobio) e per le proteine di membrana

(proteine presenti nella membrana del mitocondrio che mediano il

passaggio delle molecole coinvolte nel processo di respirazione). In questo

modo la cellula ospitante avrebbe potuto nutrire e perciò preservare il

proprio endosimbionte. La cellula che si sarebbe originata da queste

trasformazioni avrebbe avuto un metabolismo molto diverso da quello

dell'iniziale archeobatterio. Essa sarebbe stata in grado di utilizzare

molecole organiche complesse e non avrebbe più avuto necessità di

idrogeno e anidride carbonica per sopravvivere. In questa fase l'ospite

sarebbe divenuto un mitocondrio.


Elementi centrali della nuova ipotesi sono la capacità di uno dei due

microrganismi di produrre idrogeno e la dipendenza dell'altro dall'idrogeno

prodotto. La comparsa di fenomeni di endosimbiosi è inoltre conseguente e

non propedeutica all'interazione stretta tra i metabolismi dei due

microrganismi contraenti. La teoria spiegherebbe perché nel genoma degli

eucarioti ci siano anche geni non direttamente connessi alla respirazione

(ad esempio quelli relativi alle proteine di membrana che permettono

l'ingresso nella cellula delle sostanze necessarie per la respirazione) e

renderebbe ragione della presenza di geni di natura mitocondriale in quegli

eucarioti, ancora poco noti quando Lynn Margulis elaborò la teoria

endosimbiotica, che sono privi di mitocondri.