By: Astrobiology Magazine staff
Is it alive?
A crystal can grow, reach equilibrium, and even move in response to stimuli, but lacks what commonly would be thought of as a biological nervous system.
Image Credit: National Ignition Facility Programs
How to define “life” is a sweeping question that affects whole branches of biology, biochemistry, genetics, and ultimately the search for life elsewhere in the universe.
Comparando il compito semantico all’antica storia indù di identificare un elefante facendo toccare a ciascuno dei sei ciechi solo la coda, il tronco o la gamba, la risposta che un biologo potrebbe dare può differire drammaticamente dalla risposta data da un fisico teorico.
Tuttavia, qualche accordo iniziale è possibile. Gli esseri viventi tendono ad essere complessi e altamente organizzati. Hanno la capacità di prendere energia dall’ambiente e di trasformarla per la crescita e la riproduzione. Gli organismi tendono all’omeostasi: un equilibrio di parametri che definiscono il loro ambiente interno. Gli esseri viventi rispondono, e la loro stimolazione favorisce una reazione come il movimento, il rinculo e, in forme avanzate, l’apprendimento. La vita è riproduttiva, poiché è necessario un certo tipo di copiatura perché l’evoluzione prenda piede attraverso la mutazione e la selezione naturale di una popolazione. Per crescere e svilupparsi, gli esseri viventi hanno bisogno soprattutto di essere consumatori, poiché la crescita include il cambiamento della biomassa, la creazione di nuovi individui e la dispersione dei rifiuti.
Per qualificarsi come un essere vivente, una creatura deve soddisfare alcune variazioni di tutti questi criteri. Per esempio, un cristallo può crescere, raggiungere l’equilibrio e persino muoversi in risposta agli stimoli, ma manca di quello che comunemente si pensa come un sistema nervoso biologico.
Mentre è necessaria una definizione “linea chiara”, i casi limite danno alla definizione di vita una qualità decisamente grigia e confusa. Nella speranza di restringere la definizione di lavoro almeno a livello terrestre, tutti gli organismi conosciuti sembrano condividere una chimica basata sul carbonio, dipendono dall’acqua e lasciano fossili con isotopi di carbonio o zolfo che indicano un metabolismo presente o passato.
Se queste tendenze costituiscono un ricco insieme di caratteristiche, sono state criticate perché ignorano la storia della vita stessa. Terrestre, la vita è classificata in quattro famiglie biologiche: archei, batteri, eucarioti e virus. Gli archei sono il ramo recentemente definito che spesso sopravvive in ambienti estremi come singole cellule, e condividono tratti sia con i batteri che con gli eucarioti. I batteri, spesso chiamati procarioti, generalmente mancano di clorofilla (tranne i cianobatteri) e di un nucleo cellulare, e fermentano e respirano per produrre energia. Gli eucarioti includono tutti gli organismi le cui cellule hanno un nucleo – così gli esseri umani e tutti gli altri animali sono eucarioti, così come le piante, i protisti e i funghi. L’ultimo raggruppamento comprende i virus, che non hanno affatto cellule, ma frammenti di DNA e RNA che si riproducono parassitariamente quando infettano una cellula ospite compatibile. Queste classificazioni chiariscono il grande puzzle della vita esistente, ma fanno poco per fornire una definizione finale.
Definire la vita assume un carattere più ammaliante quando si estende oltre la biosfera terrestre. La recente aggiunta degli estremofili (archaea) all’albero della vita sottolinea la nozione che la vita è definita da ciò che conosciamo, ciò che abbiamo visto prima, e spesso ciò che siamo riusciti ad addomesticare in una capsula di Petri da laboratorio.
Astrobiology Magazine ha cercato l’opinione di un esperto su questa importante questione dal Dr. Carol Cleland, che insegna filosofia alla Colorado University di Boulder ed è membro dell’Astrobiology Institute della NASA. Durante il suo anno sabbatico a Madrid, Spagna, presso il Centro di Astrobiologia (CSIC-INTA), ha condiviso i suoi pensieri sul potere delle definizioni di plasmare la scienza e la filosofia.
Intervista a Carol Cleland
“Sono interessata a formulare una strategia di ricerca della vita extraterrestre che permetta di superare i confini dei nostri concetti di vita terra-centrici”. -Carol Cleland
Image Credit: University of Colorado
Q: Qual è la sua opinione sui tentativi di definire la “vita”?
In un recente articolo su Origins of Life and Evolution of the Biosphere, Christopher Chyba ed io sosteniamo che è un errore cercare di definire la “vita”. Tali sforzi riflettono malintesi fondamentali sulla natura e il potere delle definizioni. Le definizioni ci dicono i significati delle parole nel nostro linguaggio, invece di dirci la natura del mondo. Nel caso della vita, gli scienziati sono interessati alla natura della vita; non sono interessati al significato della parola “vita” nel nostro linguaggio. Ciò su cui dobbiamo davvero concentrarci è l’elaborazione di una teoria generale adeguata dei sistemi viventi, piuttosto che una definizione di “vita”. Come rivelato dalle sue notevoli somiglianze biochimiche e microbiologiche, la vita sulla Terra ha un’origine comune. Nonostante la sua sorprendente diversità morfologica, la vita terrestre rappresenta solo un singolo caso. La chiave per formulare una teoria generale dei sistemi viventi è esplorare possibilità alternative di vita. Sono interessato a formulare una strategia per la ricerca della vita extraterrestre che permetta di spingere i confini dei nostri concetti terra-centrici di vita.
Q: Nella categoria di ciò che è “vivo”, escluderebbe quelli che lei chiama i casi “limite” – virus, proteine autoreplicanti, o anche oggetti non tradizionali che hanno un certo contenuto informativo, si riproducono, si consumano e muoiono (come programmi informatici, incendi boschivi, ecc.)?
Questa è una domanda complessa. Il linguaggio è vago, e tutti i termini affrontano casi limite. Un dodicenne non sposato è uno “scapolo”? E un diciottenne? Quanti capelli ci vogliono per trasformare un uomo “calvo” in un uomo “non calvo”? 20 o 100 o 1.000 capelli?
Il fatto che ci siano casi limite – che non possiamo trovare un limite preciso – non significa che non ci sia una differenza tra uno scapolo e un uomo sposato, o un uomo calvo e un uomo che non è calvo. Queste difficoltà non rappresentano difficoltà profonde; rappresentano semplicemente il fatto che il linguaggio ha un certo grado di flessibilità. Quindi non credo che entità come i virus rappresentino una sfida molto interessante per le definizioni di “vita”. D’altra parte, non credo che definire la “vita” sia un’attività molto utile da perseguire per gli scienziati, poiché non ci dirà ciò che vogliamo davvero sapere, cioè “che cos’è la vita”. Una teoria scientifica della vita (che non è la stessa cosa di una definizione della vita) sarebbe in grado di rispondere a queste domande in modo soddisfacente.
Per analogia, gli alchimisti medievali classificavano molti tipi diversi di sostanze come acqua, compreso l’acido nitrico (che era chiamato “aqua fortis”). Lo facevano perché l’acido nitrico esibiva molte delle proprietà sensibili dell’acqua e, forse la cosa più importante, era un buon solvente. È stato solo con l’avvento della teoria molecolare che gli scienziati hanno potuto capire perché l’acido nitrico, che ha molte delle proprietà dell’acqua, non è tuttavia acqua. La teoria molecolare spiega in modo chiaro e convincente perché è così: l’acqua è H2O – due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. L’acido nitrico ha una composizione molecolare diversa.
Una buona teoria della vita farebbe lo stesso per i casi che lei cita, come i programmi per computer. Definire semplicemente la “vita” in modo tale da incorporare la propria entità “vivente” non tradizionale preferita non fa affatto progredire questo progetto.
Q: Qual è la sua teoria preferita su come la vita potrebbe essere sorta sulla Terra – cristalli di argilla, mondo RNA, membrane, o qualche altra opzione?
Freeman Dyson, fondatore della “teoria della doppia origine”. Il più grande è spiegare l’origine del complesso schema cooperativo elaborato tra proteine e acidi nucleici – la produzione controllata di sistemi catalitici auto-replicanti di biomolecole. Tutti i resoconti popolari sull’origine della vita mi sembra che stiano evitando questo problema. Invece, si concentrano sull’altro ostacolo: produrre aminoacidi e nucleotidi, e farli polimerizzare in proteine e acidi nucleici (tipicamente, RNA). Ma mi sembra che nessuno di loro ci abbia fornito una storia molto soddisfacente su come questo sia accaduto.
Tutti gli scenari che sono stati proposti per produrre RNA in condizioni naturali plausibili mancano di dimostrazione sperimentale, e questo include il mondo dell’RNA, i cristalli di argilla e i conti delle vescicole. Nessuno è stato in grado di sintetizzare l’RNA senza l’aiuto di catalizzatori proteici o modelli di acidi nucleici, e in cima a questo problema, c’è la fragilità della molecola di RNA da affrontare.
Ma continuo a pensare che il problema più serio sia la fase successiva del processo, il coordinamento di proteine e RNA attraverso un codice genetico in un sistema catalitico di molecole auto-replicanti. La probabilità che questo accada per caso (data una miscela casuale di proteine e RNA) sembra astronomicamente bassa. Eppure la maggior parte dei ricercatori sembra assumere che se possono dare un senso alla produzione indipendente di proteine e RNA in condizioni naturali primordiali, la coordinazione in qualche modo si prenderà cura di se stessa.
Suppongo che se dovessi scegliere una teoria preferita, sarebbe la teoria della doppia origine di Freeman Dyson, che postula un mondo proteico iniziale che alla fine ha prodotto un mondo RNA come sottoprodotto di un metabolismo sempre più sofisticato. Il mondo RNA, che inizia come un parassita obbligato del mondo proteico, alla fine produce lo schema cooperativo, e quindi la vita come la conosciamo oggi. Mi piace il fatto che questo resoconto tenti di affrontare l’origine dello schema cooperativo.
Q: Pensa che ci possano essere state origini multiple della vita, o che la vita possa essere arrivata sulla Terra da qualche altra parte?
La vita che nasce più di una volta da materiali non viventi potrebbe verificarsi altrove che sulla Terra, ma potrebbe anche essere avvenuta sulla Terra. È possibile che la vita extraterrestre esista e che tutta la vita abbia comunque un antenato comune. Gli scienziati ora credono che i microbi possano sopravvivere a viaggi interplanetari, incastrati nelle meteore prodotte dall’impatto di asteroidi su corpi planetari contenenti vita. In altre parole, potremmo essere tutti i discendenti dei marziani – o i marziani, se esistono, potrebbero condividere un antenato comune con noi! In breve, la semplice scoperta della vita extraterrestre non garantisce che la vita abbia avuto più di un’origine.
Q: Come uno dei grandi misteri e sfide della scienza, pensi che possiamo determinare l’origine della vita attraverso la sperimentazione? Ma finché non avremo un’adeguata teoria della vita per guidare la formulazione dei giusti esperimenti, sarà difficile dirlo. Suppongo che sia sempre possibile che la vita non sia una categoria naturale, e che quindi non si possa formulare una teoria universale della vita. Ma ne dubito.
È anche possibile che la vita sulla Terra sia il prodotto di un processo storico molto complesso che comporta troppe contingenze per essere facilmente accessibile a indagini sperimentali definitive. Una teoria della vita adeguatamente generale lo renderebbe chiaro, comunque. Inoltre, la ricerca storica è abbastanza capace di ottenere prove empiriche che possono risolvere questioni storiche di questo tipo – prove che sono altrettanto convincenti di quelle fornite dalla ricerca sperimentale classica! Quindi, anche se non possiamo produrre la vita in laboratorio da materiali non viventi, non ne consegue che non sapremo mai come la vita abbia avuto origine sulla Terra.
Che cosa c’è dopo?
L’Agenzia Spaziale Europea lancerà una missione su Marte all’inizio dell’estate 2003. I piani attuali prevedono che il suo lander, Beagle 2, esegua esperimenti biologici progettati per cercare prove di vita su Marte. Come esempio di come la definizione di vita può direttamente modellare la scienza esplorativa, il carico utile scientifico su Beagle 2 indagherà le caratteristiche comuni che si pensa indichino la vita. Per esempio, Beagle 2 cercherà la presenza di acqua, l’esistenza di minerali carbonati, la presenza di residui organici e qualsiasi frazionamento isotopico tra fasi organiche e inorganiche. Ognuno di questi elementi fornirà indizi sulla probabilità di vita su Marte se confrontato con le condizioni ambientali prevalenti, come la temperatura, la pressione, la velocità del vento, il flusso UV, il potenziale di ossidazione e l’ambiente della polvere.
Abstract da Cleland, Chyba (2002): “Non esiste una definizione ampiamente accettata di “vita”. Le definizioni suggerite affrontano problemi, spesso sotto forma di robusti contro-esempi. Qui usiamo intuizioni dalle indagini filosofiche sul linguaggio per sostenere che definire la “vita” pone attualmente un dilemma analogo a quello affrontato da coloro che speravano di definire l'”acqua” prima dell’esistenza della teoria molecolare. In assenza di una teoria analoga sulla natura dei sistemi viventi, la controversia interminabile sulla definizione della vita è inevitabile.”
Cleland, Carol E.; Chyba, Christopher F., Origins of Life and Evolution of the Biosphere, v. 32, Issue 4, p. 387-393 (2002).