Breve storia della vita sulla Terra: il Precambriano

di Roberto Cavicchi
– Paleontologia

La storia completa della nascita della vita sulla Terra come nessuno ve l’ha mai raccontata: tutti i segreti del periodo Precambriano.

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Partiamo mettendo in chiaro una cosa. Il titolo dice che è una storia breve, e in termini relativi è vero, ma non aspettatevi 10 righe in croce e poi buona notte. Anche a voler semplificare di brutto questa cosa prenderà del tempo, in fondo sono alcuni miliardi di anni di narrazione. Per fortuna sarà tutto diviso in pratici capitoli, alla portata anche dei più pigri di voi. Quindi mettetevi comodi, magari fatevi pure un tè. E non dite che non siete stati avvertiti.

La prima cosa da mettere in chiaro è quel termine che potete vedere nel titolo, Precambriano. Che diavolo è?

Il Precambriano

Facciamo una veloce digressione sulla catalogazione dei tempi geologici. Non sbuffate, se fate i bravi ci sbrighiamo in fretta.

Tra le unità di tempo utilizzate in geologia l’eone è il più ampio. Possono durare da mezzo miliardo di anni a circa 2, come nel caso dell’eone Proterozoico. Sì, scanso equivoci si parla di un sacco di tempo. Forse Martin riuscirebbe a finire di scrivere Le Cronache del Ghiaccio e del Fuoco in tutti quegli anni. Forse.

Il Precambriano è un super-eone, e al suo interno comprende i primi 3 eoni del pianeta Terra: Adeano, Archeano e il già citato Proterozoico. In tutto è durato circa 4 miliardi di anni, la maggior parte della storia del nostro pianeta.

Il nostro punto d’inizio è la formazione del nostro mondo, poco più di 4 miliardi e mezzo di anni fa.

All’inizio la Terra era un luogo ostile, per usare un eufemismo. Eruzioni vulcaniche su tutta la superficie, lava bollente ovunque, gas tossici che rendevano l’atmosfera irrespirabile. In pratica il sogno bagnato di Sauron, pianeta Mordor.

Sì, starete pensando voi, ma in tutto questo quando è comparsa la vita? E come?

La risposta breve è che non ne abbiamo una cavolo di idea. Almeno non una precisa. Sono domande difficili, e probabilmente non avremo mai una risposta definitiva. Messo in chiaro questo, vediamo cosa sappiamo.

La comparsa della vita: quando?

Il “quando” è il quesito a cui è più facile dare una qualche risposta. La vita deve essersi originata in un momento imprecisato durante il primo miliardo di anni del pianeta. È impossibile puntare il dito sul momento specifico, ma possiamo escludere l’Adeano. Questo primo eone, durato circa 600 milioni di anni, è stato caratterizzato da impatti meteorici violentissimi. Intendo roba veramente catastrofica, che neanche Bruce Willis avrebbe potuto farci niente. Parlo di impatti in grado di vaporizzare interi oceani. Se la vita si fosse formata nei mari di quel lontano eone sarebbe stata spazzata via e avrebbe dovuto ricominciare da capo. Solo organismi in grado di vivere nelle rocce sotto la superficie e di sopportare temperature elevate avrebbero potuto farcela.

I più antichi fossili generalmente accettati come veri risalgono a poco meno di 3,5 miliardi di anni fa. Provengono dall’Australia, e si tratta di Stromatoliti.

Piccolo inciso: cosa sono le stromatoliti? Sono per caso le cacche fossili, vi starete chiedendo. No, quelli sono i coproliti, ma dato che iniziano con “stro” posso capire la confusione. Le stromatoliti sono delle strutture calcaree che si formano a causa dell’attività di alcuni batteri, tra cui i cianobatteri.

Piccolo inciso 2 (la vendetta): cosa sono i cianobatteri? Sono degli organismi unicellulari, dei procarioti. Sono in grado di fare la fotosintesi.

C’è poi il caso delle rocce provenienti dal gruppo di Isua, in Groenlandia. All’interno di queste rocce antichissime, tra i 3,8 e i 3,7 miliardi di anni, alcuni ricercatori hanno dichiarato di aver trovato le più antiche tracce di vita mai scoperte. In un caso si tratta di rocce sedimentarie estremamente alterate in cui sarebbero presenti tracce di isotopi compatibili con la presenza di vita. Da un’altra località era stata dichiarato addirittura il ritrovamento di stromatoliti.

No, non strappatevi ancora le mutande in esultazione.

Entrambi i ritrovamenti dalla Groenlandia sono dubbi, nel migliore dei casi. La scoperta basata sugli isotopi presenti nelle rocce è molto dibattuta all’interno della comunità scientifica, quella relativa le antiche stromatoliti è stata confutata da un’altra ricerca. Come mai tutta questa incertezza?

Ma avete idea di quanto sia difficile capirci qualcosa dopo più di 3 miliardi di anni? Già trovare delle rocce che arrivino a quelle età non è semplice (forse si dovrebbe chiedere aiuto alla regina Elisabetta). Riuscire a identificare qualunque cosa al loro interno è un’ulteriore impresa, perché dopo tutto quel tempo spesso le rocce sono troppo alterate. Il compito di capirci qualcosa ricade sui micro-paleontologi, persone di dimensioni normali che studiano cose veramente piccole. Anche con l’uso di microscopi avanzati e tanta esperienza alle spalle, distinguere quali filamenti di pochi micron possono essere impronte di batteri e non alterazioni della roccia è tutt’altro che semplice. Un grosso aiuto può essere fornito dallo studio di tracce isotopiche di elementi chiave, come il carbonio, o di biomarker, ma anche così fornire risultati incontrovertibili non è semplice.

Piccolo inciso 3 (mobbasta però): cos’è un biomarker? Si tratta di composti chimici organici che fungono da indicatori della presenza di vita. I più antichi finora scoperti risalgono a 1,73 miliardi di anni fa, e provengono dall’Australia.

Tutto questo pippone per dirvi che le più antiche tracce lasciate dalla vita risalgono a 3,5 miliardi di anni fa, ma la vita stessa è sicuramente più antica di così.

La seconda domanda da un milione di dollari era “come è iniziata la vita?”. Oh cavolo, questa è tosta.

La comparsa della vita: come?

A questo non c’è una risposta certa, solo ipotesi. Mi concentrerò solo su una di queste, per amore della sintesi.

Si tratta della teoria del mondo a RNA.

L’RNA, o acido ribonucleico, è una molecola fondamentale per la vita, ha un ruolo chiave nella sintesi delle proteine. Secondo la teoria del mondo a RNA, milioni di queste molecole si sarebbero formate all’interno delle acque precambriane. All’interno di questo marasma, alcuni filamenti avrebbero avuto la capacità di replicarsi, diventando un po’ alla volta le forme dominanti. Questi, in seguito, unendosi a un qualche tipo di vescicola a base lipidica auto-replicante e acquisendo una funzione vitale avrebbero raggiunto lo status di cellula vivente. Questa funzione vitale potrebbe essere la generazione di lipidi per la vescicola, la quale a sua volta aiuterebbe le funzioni dell’RNA  mantenendolo al suo interno insieme all’enzima RNA replicase che ne consente la replicazione. Inoltre le vescicole con le molecole di RNA più efficienti riuscirebbero a replicarsi in maniera più veloce ed efficace delle altre e taaaaaaaaac, via di evoluzione.

Tutto molto bello, vero? Ma si tratta solo di una teoria, e ci sono anche molti argomenti contrari. Al vostro posto non tratterrei il fiato in attesa di una risposta definitiva.

Lo so cosa state pensando: “Sì, va bene, che due cogl- molto interessante, molto interessante. Degli inizi non si sa nulla. Si sa qualcosa di cosa è successo poi?”

Sì, qualcosina sì.

Il grande evento di ossidazione

Le prime forme di vita dovevano essere, per forza di cose, anaerobe, perché nell’atmosfera della terra antica non c’era ossigeno. Elementare Watson. Questi organismi erano in grado di vivere benissimo senza ossigeno, anzi, per loro si trattava addirittura di un elemento tossico. Lo sappiamo perché alcuni di questi sopravvivono ancora oggi.

Le cose cambiano all’inizio dell’eone Proterozoico, circa 2,5 miliardi di anni fa, quando i livelli di ossigeno iniziano a salire. Nulla di drammatico, tra l’1% e il 10% delle concentrazioni attuali, ma abbastanza per marcare l’inizio di un cambiamento radicale.

Come facciamo a saperlo? Il segreto (di Pulcinella) sono le formazioni a bande di ferro. Nome che userei per una band Heavy Metal, tra l’altro. Queste formazioni sono caratterizzate dall’alternanza tra strati di ferro ossidato e strati di argilla o selce. Indicano la presenza di organismi in grado di produrre ossigeno a intervalli regolari tramite la fotosintesi. Questo ossigeno faceva reazione con il ferro presente nell’acqua, ossidandolo e facendolo precipitare, creando così uno strato rosso. Il resto del tempo nell’acqua non c’era ossigeno sciolto. Con l’aumento progressivo dell’ossigeno queste formazioni iniziano a lasciare il posto a strati rossi uniformi dovuti alla continua ossidazione del ferro, scomparendo quasi del tutto 1,9 miliardi di anni fa.

Le cause di questo evento sono dibattute. Alcune teorie danno la responsabilità ai batteri fotosintetizzatori, altre alla perdita di idrogeno nell’atmosfera, causata dall’elevata concentrazione di metano, e conseguente ossidazione.

Quale sia la causa, l’entrata in campo dell’ossigeno ha cambiato del tutto le regole del gioco. Ha causato la prima (probabilmente) estinzione di massa del pianeta. Pensate a tutti quei poveri organismi anaerobi che si sono ritrovati immersi in un gas velenoso e si sono estinti. Non vi sentite tristi?

No?

Mostri.

Il declino degli organismi anaerobi ha aperto le porte agli organismi, sì avete indovinato, aerobi, cosa di cui dovreste essere abbastanza contenti. Inoltre l’ossigeno ha portato alla formazione di uno strato di ozono nell’atmosfera, essenziale per bloccare i dannosi raggi ultravioletti, consentendo così la proliferazione della vita anche sulla superficie terrestre. Tutto sommato direi che è stata una gran figata.

Ma sono sicuro che vi siate rotti di sentir parlare sempre di organismi unicellulari, vero? Volete sentir parlare di animaloni strani e grossi, magari con zanne e spuntoni da tutte le parti. Ci arriveremo, ma per farlo dobbiamo introdurre gli eucarioti. Fatevene una ragione.

L’arrivo degli eucarioti

Le forme di vita di cui abbiamo parlato finora appartengono al grande dominio dei procarioti. Si tratta di organismi solamente unicellulari e privi nucleo, il loro DNA è libero di muoversi per l’interezza della cellula. Gli eucarioti formano l’altro grande dominio della vita. Al loro interno si possono trovare numerose forme unicellulari, ma anche ogni essere vivente pluricellulare mai esistito. Insomma, se mi state leggendo siete eucarioti.

Si differenziano dai procarioti in molte maniere, ma la più importante è la presenza di un nucleo che contiene al suo interno tutto il DNA della cellula. Sono presenti anche altri organelli, come i mitocondri o  i cloroplasti delle piante.

Piccolo inciso 4 (pensavate fossero finiti vero?): cosa sono mitocondri e cloroplasti? I mitocondri sono degli organelli presenti in tutte le cellule eucariote. Sono dotati di un DNA tutto loro, il DNA mitocondriale, che si trasmette solo per via materna. Hanno varie funzioni, ma la più importante è sintetizzare composti essenziali per la vita e la riproduzione della cellula. I cloroplasti sono degli organuli presenti solo nelle piante, e svolgono la fotosintesi clorofilliana. Una robetta da niente proprio.

Individuare un momento preciso per la comparsa degli eucarioti è impossibile, come avrete già immaginato se siete stati attenti finora. Grypania  spiralis, è forse il più antico che conosciamo. Ritrovato in rocce antiche anche 1,85 miliardi di anni, aveva una forma allungata e arrotolata in maniera un po’ spiraleggiante, e potrebbe trattarsi di un’antico tipo di alga. Se così fosse si tratterebbe del più antico organismo eucariota conosciuto, ma non è universalmente accettato.

Un ulteriore casino è capire come siano comparsi gli eucarioti. Una teoria molto popolare è quella endosimbiotica. Secondo questa ipotesi una cellula di grande dimensioni avrebbe inglobato dentro di sé delle cellule più piccole, o ne sarebbe stata invasa. Queste cellule si sarebbero quindi evolute stabilendo un rapporto di collaborazione benefica per entrambe.

Pare che per i mitocondri sia andata proprio così, ma per ogni altro aspetto è molto criticata. Non è chiaro come questo sia potuto succedere per il nucleo, e inoltre tra le cellule moderne le uniche a inglobarne altre sono le eucariote, non le procariote.

In alternativa è stato proposta la teoria protoeucariotica, secondo la quale una cellula protoeucariota, già dotata di nucleo, avrebbe inglobato in sé i procarioti che sarebbero poi diventati i mitocondri. Questo però lascia aperta la questione della provenienza della cellula protoeucariota. Inoltre il dominio procariota sembra non essere ancestrale rispetto a quello eucariota, che quindi non si sa bene da dove deriverebbe.

Un gran macello, una montagna di dubbi, acqua da tutte le parti.

Indipendentemente da quando e come siano comparsi, l’arrivo degli eucarioti è stato una rivoluzione. Le cellule eucariote sono in grado di unirsi tra di loro, formando così organismi più grandi in cui alcuni gruppi di cellule possono differenziarsi per svolgere determinati compiti, come la difesa, la nutrizione e la riproduzione. Perché con gli organismi multicellulari compare anche la riproduzione sessuata. La testimonianza più antica che abbiamo di un organismo che, potenzialmente, si riproduceva in maniera sessuata è il fossile di un’alga rossa antico 1,2 miliardi di anni. Questa fa parte di un gruppo, presente anche al giorno d’oggi, che si riproduce in maniera sessuata, e ne fornisce quindi un’indicazione cronologica minima. Niente per cui chiudersi in camera da letto con una scatola di fazzoletti, ma è un inizio. Inoltre la riproduzione sessuata ha aperto le porte all’evoluzione di organismi sempre più complessi, fino alla comparsa dei primi animali.

I primi animali e il biota Ediacarano

I primi animali sono comparsi più di 600 milioni di anni fa, ed erano probabilmente simili alle attuali spugne marine. Spugne ragazzi! Non è eccitante? Eh eh?

Come ormai vi sarete abituati a sentirmi dire, non è possibile identificare un momento preciso per la loro comparsa. Le uniche tracce fossili generalmente accettate risalgono a dopo la fine della glaciazione Marinoana, un grande evento glaciale che ha coinvolto l’intero pianeta tra i 650 e i 635 milioni di anni fa, rendendo la Terra una grande palla di ghiaccio. Tra i primi animali fossili c’è però Kymberella, che non è una principessa Disney ma un antichissimo mollusco, anche se effettivamente stava in fondo al mar. Il dettaglio importante è che era già dotata di strutture anatomiche tipiche anche dei molluschi attuali, come il piede e la radula, e questo fa pensare a una storia evolutiva precedente.

I reperti fossili di animali diventano comuni e diversificati solo con il biota Ediacarano. Tranquilli, non è il genere di esclamazione in grado di farvi bandire per sempre dalla tv. Scompriamolo insieme, arrivando alla fine di questa prima tappa del nostro viaggio.

Il biota Ediacarano è stato il primo ecosistema dominato da organismi pluricellulari. Ci troviamo, lo avrete indovinato, nel periodo Ediacarano, alla fine dell’eone Proterozoico, che si estende tra i 635 e i 550 milioni di anni fa circa. Questo insieme biologico è documentato su 5 continenti in più di 30 località. Era dominato da organismi diversi tra di loro, ma che condividevano una struttura fisica simile. Erano strutture molto larghe e appiattite, simili a dei grossi fiocchi, che probabilmente ricoprivano il fondale marino in grandissime quantità. Probabilmente si trattava di filtratori, e la catena trofica non doveva essere particolarmente lunga o elaborata. Erano presenti anche animali simili a meduse e alcune creature molto strane, come Spriggina, lungo pochi centimetri e dotato di un corpo segmentato e di una testa arrotondata, forse dotata di organi sensori. Dickinsonia era un altro abitante del biota ediacarano, un essere stranissimo simile a un disco segmentato, con dimensioni variabili dai pochi millimetri a un metro e mezzo. Non si è neppure del tutto certi che appartenesse al regno animale.

Non si sa molto di queste creature, i primi animali del primo ecosistema pluricellulare. È stato proposto anche che si trattasse di un mondo privo di predatori, solo filtratori e spazzini, una sorta di mare della tranquillità, calmo e pacifico. Che noia, vero? Ma quando arrivano le cose divertenti?

Il biota Ediacarano arriva alla sua conclusione circa 550 milioni di anni fa. Detta così sembra uno schiocco di dita, ma è durato circa 80 milioni di anni, è un mucchio di tempo! Solo per la sua longevità è stato uno degli ecosistemi di maggior successo nella storia del pianeta! La fine di questa associazione faunistica potrebbe essere stata causata dall’innalzamento dei livelli di ossigeno, o dall’evoluzione dei predatori, che in quel mare di creature molli e indifese dovevano essere particolarmente felici. Sono presenti prove fossili di questo: tracce di predazione, la comparsa di strutture difensive, e resti fossili di predatori.

Verso la fine dell’Ediacarano compare un nuovo tipo di fauna, composto prevalentemente da organismi molto piccoli, millimetri o meno, e dotati di un guscio duro. Per questo, in uno sfoggio di fantasia da lasciare a bocca aperta, sono stati chiamati small shelly fauna, o piccola fauna col guscio. Wow, si sono davvero sprecati con l’immaginazione per dargli un nome. Si tratta della prima comparsa massiccia di materiali scheletrici duri nel record fossile, circa 10 milioni di anni prima dell’arrivo dei trilobiti.

Se siete arrivati fino a qua siete bravi. Dico sul serio, io avrei mollato già da un pezzo. Ma ora ci troviamo ad un punto di svolta super importante: con la fine dell’Ediacarano siamo alla soglia del Cambriano, il primo periodo dell’era Paleozoica e dell’eone Fanerozoico, quello in cui ci troviamo anche noi. Le cose stanno per farsi esplosive.

Roberto Cavicchi