Dai primi microorganismi all’uomo. Breve storia della Vita sulla Terra.

Introduzione

Come è avvenuta l’evoluzione della vita sulla Terra? Siamo abituati sempre a pensare al piccolo anfibio che muove i primi passi sulla terra ferma come principale esempio di evoluzione. Prima di arrivare agli eucarioti pluricellulari non sessili l’evoluzione è però passata per innumerevoli stadi biologici, dai primi procarioti unicellulari, fino ad oggi.

Prendiamo per dogma di fatto che le prime forme di vita siano comparse sulla Terra tra i 3.5 ed i 4 miliardi di anni fa. Il nostro pianeta possiede circa 4.5 x 109 anni; tuttavia, le rocce più antiche risalgono a poco meno di 4 miliardi di anni fa. I sedimenti di Isua in Groenlandia possiedono 3.8 miliardi di anni, i sedimenti di Akilia sempre in Groenlandia possiedono 3.85 miliardi di anni ed i sedimenti di Pilbara in Australia si stima abbiano tra i 3.5 ed i 3.4 miliardi di anni. I primi organismi sono quindi comparsi presumibilmente intorno ai 3.5 e 4 miliardi di anni fa. Le prime tracce indirette della vita sono infatti state ritrovate sulle rocce di Isua e testimoniano la presenza di elementi chimici che sono stati modificati da possibili forme di vita.

Oggi si pensa che i primi organismi vivessero sul fondo di bassi mari caldi nutrendosi di sostanza organica di origine abiotica e direttamente disciolta nel mezzo acquoso. Non sono quindi autotrofi come si potrebbe pensare, ma in un certo modo eterotrofi per sali e composti chimici semplici.

Le più antiche forme di vita descritte sono presumibilmente batteri filamentosi o sferoidali che sono stati ritrovati come fossili nelle formazioni di Pilbara ed in alcune rocce Sud Africane risalenti a circa 3.5 miliardi di anni fa. I primi presunti fossili di monera sono stati ritrovati sempre a Pilbara. Gli esempi migliori di primi organismi risalgono però a 3.3 – 3 miliardi di anni fa e si riferiscono a presenza di vita negli stromatoliti, ossia delle formazioni fossili costituite da lamine di ossido di silicio impilate ottenute grazie ad una forma arcaica di metabolismo batterico. Secondo alcuni studi di paleomicrobiologia si è scoperta la presenza di alcune catene carboniose derivate probabilmente dalla demolizione ossidativa della clorofilla. Questi organismi presenti in un’epoca così aspra sono stati con una buona probabilità fotosintetizzanti aerobi immettitori di ossigeno e zolfo nell’ambiente.

La comparsa dei primi autotrofi deriva probabilmente dalla crisi dei primi eterotrofi i quali possedevano una richiesta metabolica decisamente superiore rispetto all’offerta di sostanza organica di origine abiotica. Come sono state quindi le prime cellule? Erano procarioti molto semplici in grado di sopravvivere a contatto con un ambiente che oggi probabilmente non permetterebbe la vita di quasi nulla sulla Terra. L’atmosfera era costituita da gas rilasciati dal raffreddamento dei magmi ed era quindi composta da acqua per il 70-95%, anidride carbonica per il 4% e la restante parte divisa in anidride solforosa, zolfo elementare, ammoniaca, acido solfidrico, etc. Ricorda quasi Venere. L’atmosfera primordiale era senza ombra di dubbio riducente. La fotosintesi al contrario di come avviene oggi era condotta a partire da acido solfidrico come donatore di elettroni.

Precambriano

Con l’aumento della disponibilità di acqua inizia a prendere piede la fotosintesi ossigenica, ma sfortunatamente grazie alla presenza nell’ambiente di grosse quantità di ferro, viene impedito l’aumento di ossigeno atmosferico. A partire da due miliardi di anni fa iniziano a comparire le prime red beds ossia composti di ossidi di ferro trivalente (limonite) che permettono la diffusione dell’ossigeno in atmosfera. Il ferro prima disciolto nell’acqua di mare in forma bivalente e ferrosa si trasforma progressivamente in ferro trivalente grazie alla lenta diffusione dell’ossigeno. Si formano ossidi di ferro idrati insolubili che precipitano e si accumulano insieme agli ossidi di silice sul fondale oceanico.

In questo ambiente proliferano i batteri fotosintetici ed i procarioti chemiosintetici. Questi ultimi sono i primi a fissare l’azoto ad ammoniaca. Si pensa che i procarioti chemiosintetici siano stati i primi organismi aerobi. La respirazione ossigenica è infatti comparsa solo quando la concentrazione di ossigeno atmosferico ha raggiunto il punto di Pasteur, ossia 1/100 dell’attuale concentrazione. L’aumento progressivo di ossigeno ha prodotto una grande estinzione di massa. La Terra si è quindi trovata di fronte alla cosiddetta “crisi dell’ossigeno” responsabile della più grande estinzione avvenuta sul nostro pianeta.

L’atmosfera cambia, il vapor acqueo condensa e si formano le nubi. Iniziano le grandi piogge e compaiono le prime nevicate e glaciazioni. L’anidride carbonica e l’anidride solforosa presenti nell’atmosfera intrappolano l’energia infrarossa proveniente dal Sole, e così facendo aumenta la temperatura della Terra di 33 gradi centigradi, si passa da una media di -18 gradi Celsius a +15 gradi Celsius. L’aumento dell’effetto serra scalda per cui il pianeta rendendolo più ospitale. Durante queste fasi di metamorfosi atmosferica sul nostro pianeta spopolano organismi con forti somiglianze con gli attuali cianobatteri fotosintetici. Si sviluppano nel frattempo i primi organismi eucarioti, planctonici, eterotrofi morfologicamente simili agli attuali dinoflagellati. Compaiono quindi gli acritarchi. Organismi di questo tipo provengono probabilmente da processi di simbiosi mutualistica tra organismi procarioti come proposto dalla teoria endosimbiotica sull’origine del mitocondrio il quale presenta un DNA simile a quello batterico.

precambriano
Figura 1 – Rappresentazione artistica del Precambriano in cui è visibile la densa atmosfera e l’aspetto inospitale dei suoli.

Non è ancora presente la respirazione cellulare, tutti gli organismi sono decompositori o eucarioti fotosintetici. Dopo un miliardo di anni dagli eventi che stiamo descrivendo, quindi intorno ad 1-1.3 miliardi di anni fa compare la respirazione cellulare. Si chiude il ciclo del carbonio. Con l’aumento delle rese energetiche compare anche la pluricellularità. Questo fenomeno permette di possedere una maggiore stabilità strutturale e maggiore funzionalità. Aumentano le dimensioni, aumentano le capacità rigenerative con conseguente aumento della vita media, gli organismi si specializzano, si dividono i compartimenti, si formano gli organi, i tessuti, etc. I primi fossili interpretati come animali appartengono ai chitinozoi e sono stati rinvenuti in Arabia e Groenlandia.

Il più antico fossile di animale pluricellulare di cui si ha certezza è stato però scoperto in Australia meridionale ed è stato datato tra i 670 ed i 580 milioni di anni fa. Risale al Precambriano e si riferisce ad un organismo dal corpo molle medusoide il quale potrebbe essere l’antenato degli attuali Cnidari, Ctenofori, Anellidi, Artropodi ed Echinodermi.

Cambriano

Durante il Cambriano (570 milioni di anni fa) incrementa la diversità delle forme di vita sulla Terra. Compaiono i primi organismi dotati di scheletri esterni ed interni. Questo apparato porta a vantaggi morfo-meccanici consentendo una miglior capacità di movimento e migliori capacità difensive ed offensive. La Pangea si frammenta separandosi principalmente in Laurasia e Gondwana.

I continenti vengono invasi dalle acque, si formano vasti mari tropicali poco profondi. Grazie a queste condizioni ambientali si ha l’esplosione del Cambriano (i trilobiti sono i più famosi rappresentanti di questa era geologica). Si trovano tanti fossili grazie alla presenza di uno scheletro in grado di fossilizzare. Il mondo vegetale è rappresentato esclusivamente da alghe come quelle verdi, quelle rosse e le Glaucofite caratteristiche delle acque dolci. Per avere una maggiore differenziazione vegetale bisogna attendere l’Ordoviciano con la comparsa delle Euglenofite, gli Eteroconti (come le Diatomee) ed i Dinoflagellati. Verso la fine del Cambriano la temperatura diminuisce e le forme di vita variano.

cambriano
Figura 2 – L’esplosione delle forme di vita del Cambriano.

Ordoviciano

Durante l’Ordoviciano sulla Terra si possono osservare quattro grandi aree emerse, il Gondwana, l’Europa, il Nord America e l’Asia. Si formano grandi mari epicontinentali. Compaiono le prime scogliere coralline con coralli tabulati e rugosi. Durante il medio Ordoviciano si ha la contrazione dei mari interni che determina la comparsa di vaste aree asciutte. Compaiono i molluschi come Bivalvi e Cefalopodi, compaiono gli Echinodermi, i Briozoi ed i Brachiopodi. Insieme ai coralli coesistono numerose alghe rosse calcaree ed alghe verdi calcaree. Compaiono anche i primi pesci primitivi agnati, sprovvisti di pinne ma con lunghe code flessibili.

Nel mondo vegetale prima unicellulare compaiono i primi organismi pluricellulari coloniali. Scompaiono progressivamente i cianobatteri e gli organismi vegetali tentano di colonizzare le terre emerse. Il fallimento di questa conquista da parte di vegetali si ha a causa di un’altra estinzione di massa causata probabilmente da una glaciazione che ha provocato l’abbassamento del livello dei mari con conseguente riduzione di tutti gli habitat marini. L’85% delle forme di vita scompare.

ordoviciano
Figura 3 – Alcuni fossili risalenti all’Ordoviciano

Siluriano

Nel Siluriano si sviluppano tutti quegli organismi legati alle barriere coralline. Continua l’evoluzione dei vertebrati. Dagli agnati compaiono i primi pesci dotati di mascelle mobili. Compaiono i placodermi. La presenza di una bocca mobile causa una forte pressione selettiva che favorisce l’aumento delle dimensioni. Il pianeta si riscalda. Grazie al clima mite del Siluriano compaiono le prime piante terrestri dotate di fusti di sostegno. Il più antico fossile di pianta vascolare, ossia Cooksonia, appartiene proprio a questo periodo storico (Fig. 4).

Cooksonia
Figura 4 – Cooksonia

Devoniano

Le piante, grazie ai climi sempre più permissivi, conquistano sempre di più le terre emerse. Compaiono le prime felci, le quali avranno il loro periodo di massima espansione nel Carbonifero. Le Equisetofite colonizzano i suoli. Per quanto riguarda le forme di vita animali nei mari si differenziano le Ammoniti, i Molluschi, i Cefalopodi predatori ed i primi pesci derivanti dai Placodermi. Si delineano i pesci ossei ed i pesci cartilaginei, in quelli ossei si possono ritrovare il Paleoniscoidi, i Crossopterigi (antenati degli anfibi) ed i Dipnoi (pesci polmonati).

Grazie alla presenza di nuove nicchie ecologiche terrestri si ha una spinta evolutiva sui vertebrati marini che li fa spostare verso le terre emerse. Dai Crossopterigi probabilmente originano i primi tetrapodi terrestri. Il tegumento ricoperto di scaglie si modifica per diventare impermeabile alla perdita dei liquidi interni. Compaiono quindi i primi anfibi. Il Devoniano si conclude con una estinzione di massa a causa di una glaciazione causata forse da una serie di impatti asteroidale sulla crosta terrestre. La vita sulla Terra rimane decimata.

Devoniano
Figura 5 – Ricostruzione dell’ambiente Devoniano

Carbonifero e Permiano

Il Carbonifero viene definito in molti modi, “il periodo degli Anfibi”, “l’era degli Insetti”, etc. La vita non è più strettamente legata all’acqua. Laurasia e Gondwana collidono per formare Pangea II e si forma l’oceano della Tetide. Si crea un clima caldo-umido che consente lo sviluppo di estese foreste. L’ossigeno in atmosfera aumenta vertiginosamente. Con l’estinzione del Devoniano si ha la propulsione per il grande sviluppo delle piante vascolari dotate di spore, si hanno grandi equiseti e numerose felci arboree. In tutto questo compare il seme e si hanno piante di grandi dimensioni le quali costituiscono grandi foreste che fanno da rifugio a numerose specie animali. Tra gli artropodi proliferano Araneane (ragni), Chilopodi (centopiedi), Diplopodi (millepiedi), Scorpionidi (scorpioni), etc. Compaiono le prime forme alate appartenenti agli Odonati (libellule). Si ha una forte radiazione evolutiva nell’ambiente aereo probabilmente favorita dalla mancanza di competizione.

flora Carbonifero
Figura 6 – Incisione raffigurante la flora del Carbonifero

Durante il Permiano si ha lo sviluppo dei rettili, si consolidano invece le felci a semi per quanto riguarda il mondo vegetale.  Compaiono i Medullosales, ossia piccoli alberi con fusto eretto, grandi foglie e granuli pollinici enormi. Compaiono le Glossopteridales, Voltziales e Cordaitales, sempre più simili agli attuali alberi. Il Permiano si conclude con una grande estinzione di massa, la metà delle famiglie di invertebrati marini si estingue, i trilobiti scompaiono, molti molluschi e brachipodi vengono decimati.

La causa di questa catastrofe ecologica è probabilmente dovuta ad un impatto di un grosso asteroide sulla crosta terrestre. L’impatto sollevando probabilmente una grande quantità di polveri ha oscurato il pianeta. Crollano le temperature e si formano piogge acide corrosive. Aumenta l’acidità del suolo, non si ha luce, etc. di conseguenza scompaiono le piante. Spariscono quasi tutte le specie arboree. Gli erbivori vengono decimati causando forti ritorsioni su tutta la catena trofica. Diradate le nubi la luce solare torna libera di irradiare il suolo e le acque, tuttavia, la grande decomposizione derivante dalla moria di specie animali e vegetali causa un forte incremento dell’anidride carbonica in atmosfera. Si ha un intenso effetto serra con conseguente riscaldamento globale per diversi milioni di anni.

Mesozoico

L’era Mesozoica segna grandi modifiche nella vita sulla Terra (Flora e Fauna). Si ha l’espansione del mondo dei rettili e dei dinosauri. Si suddivide in Triassico (comparsa dei dinosauri), Giurassico (loro massima espansione) e Cretaceo (estinzione dei dinosauri). Dal punto di vista floristico il Triassico ha visto la presenza di alcuni taxa di felci a seme come le Caytoniales, piccoli alberi con foglie palmato-composte. Tutta l’era Mesozoica è stata caratterizzata dalla presenza delle Cycadofite, ad oggi diffuse prevalentemente nell’emisfero australe. Possiedono fusti molto corti non ramificati con foglie persistenti.

Nascono sempre durante il Mesozoico le Ginkgofite di cui oggi rimane solo Ginkgo biloba e nascono anche le prime conifere. Tra i vegetali ancora diffusi oggi compaiono nel Mesozoico anche lo Gnetum, un genere che comprende circa 30 specie di piante arboree e lianose con foglie grandi e coriacee e Welwitschia con un solo rappresentante W. Mirabilis. Questa vive sulla costa del deserto della Namibia ed è caratterizzata da un fusto sotterrato nella sabbia. Compaiono sempre nel Mesozoico probabilmente le prime piante a fiore a causa della pressione selettiva per favorire la propria riproduzione. I vegetali iniziano a servirsi degli animali per permettere il susseguirsi delle generazioni.

Tra il Triassico ed il Giurassico si ha un’estinzione di massa la quale colpisce principalmente i rettili tra i quali i grandi Terapsidi e molti anfibi. Circa l’84% dei bivalvi e dei molluschi si estingue. Iniziano ad evolversi i dinosauri che diventano il gruppo dominante sulla Terra. Durante il Giurassico (210-140 milioni di anni fa) si ha una buona stabilità climatica. Nel mondo vegetale compaiono le angiosperme. Con l’aumento delle piante compaiono anche numerose specie di animali erbivori e compaiono anche numerosi meccanismi chimici per difendersi da questi.

Cretaceo

Si frammentano definitivamente i supercontinenti. La Laurasia va alla deriva verso nord ed il blocco dell’America e del Sud Africa si stacca dal blocco dell’Australia-Antartide. L’India si avvicina all’equatore ed il Madagascar si stacca dall’Africa. Gli oceani si estendono al di sopra dei continenti e formano mari bassi in molte parti del mondo. Si originano anche le grandi catene montuose come, ad esempio, le Ande. La collisione dell’India con l’Asia meridionale da origine alla catena dell’Himalaya, si formano nel frattempo anche le montagne europee che creano nuove nicchie ecologiche. I poli liberi dai ghiacci permettono la distribuzione dei rettili a sangue freddo anche ad alte latitudini.

Il Cretaceo si chiude con l’estinzione KT, in questo evento scompaiono il 40% dei generi degli organismi marini mentre sulla terra scompare quasi il 99% della totalità degli organismi viventi (Fig.7). Nei mari le specie più colpite sono quelle dei foraminiferi, delle spugne e dei ricci di mare. Scompaiono completamente i grandi rettili dominanti come il Plesiosauro, il Mosasauro e l’Ittiosauro. Sulla terra scompaiono i dinosauri, i rettili e numerosi mammiferi con dimensioni maggiori di qualche decina di chilogrammi. Nel mondo vegetale scompaiono le grandi foreste del mesozoico. Sopravvivono le felci più piccole e le specie pioniere. Secondo Walter Alvarez, premio Nobel per la fisica, questa estinzione è stata dovuta all’impatto di un grande asteroide di 10 Km di diametro. L’impatto ha innescato un incendio planetario sollevando una monolitica nube nell’atmosfera ricca di iridio che oscurando il cielo ha impedito la fotosintesi, facendo crollare piante, erbivori e di conseguenza carnivori.

impatto meteorico che ha causato l'estinzione KT
Figura 7 – Rappresentazione dell’impatto meteorico che ha causato l’estinzione KT

Cenozoico

Da 65 milioni di anni fa a circa 1.8 milioni di anni fa si ha l’era Cenozoica. Viene denominata anche periodo dei mammiferi in quanto si assiste ad una grande radiazione di questi animali. Gli uccelli sostituiscono lentamente i rettili. Il clima passa da caldo tropicale a glaciazioni con una tendenza progressiva. Nel Paleocene i mari riprendono vita, ricompaiono le spugne, i briozoi, i coralli, i crinoidi ed i macro-foraminiferi. Nella flora marina compaiono nuove specie di alghe calcaree. Si ha la grande espansione delle angiosperme.

Nell’Eocene le conifere iniziano a competere con le angiosperme arboree. Ancora una volta prolificano i mammiferi nelle foreste tropicali piovose. Durante l’Oligocene si ha una importante fase della vita sulla Terra in quanto si inizia a passare da una situazione tropicale dell’Eocene ad una situazione più confrontabile con quella attuale. Si formano le pianure, i deserti, le savane, etc. Nel Miocene si ha una grande variazione della biodiversità. Si formano piccoli bacini salati. Segue il Pliocene nel quale i continenti raggiungono la situazione attuale. Si hanno varie glaciazioni, i mari si abbassano e le terre affiorano. Le foreste di conifere si spostano verso i poli e verso climi più freddi. Nei climi caldi la biodiversità diventa quella attuale.

Moeritherium (Proboscidato dell'Eocene)
Figura 8 – Moeritherium (Proboscidato dell’Eocene)

Neozoico

Durante questa era compare e si diffonde l’uomo. Gli organismi si adattato ai diversi habitat che si formano sulla superficie terrestre. La temperatura diminuisce in modo intermittente, ad ogni glaciazione si intercala un periodo interglaciale in cui la vita fiorisce. Inizia il binomio uomo-biodiversità. Nasce la nostra storia, la storia dei primati antropomorfi. Oggi noi ci ritroviamo nella condizione di essere l’unica specie rappresentate del genere Homo. Questa condizione viene chiamata anche splendida solitudine di sapiens poiché nella nostra linea evolutiva una condizione simile è unica. 13mila anni fa oltre a H. sapiens era presente anche l’uomo di Flores, mentre Neanderthal era già estinto. 40mila anni fa oltre a H. sapiens, Flores e Neanderthal era presente anche Denisova. Questo ci fa comprendere che la storia dell’uomo è “anomala” ad oggi, ma ordinaria in passato con numerose specie che “convivevano” sulla Terra.

bisonte grotta Altamira
Figura 9 – Raffigurazione di bisonte nella grotta di Altamira, circa 14.000 anni fa.

Tutto quanto detto fino a questo momento ci fa capire quanto sia stata complessa l’evoluzione degli organismi viventi sulla Terra; si sono susseguite diverse specie con le più disparate morfologie e caratteristiche chimiche-fisiche-meccaniche, etc. Lo studio della vita sul nostro pianeta è quindi argomento complesso che si serve di tutti i campi di studio per poter essere compresa.

Bibliografia

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Immagini

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6. https://it.wikipedia.org/wiki/Carbonifero#/media/File:Meyers_b15_s0272b.jpg

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Cretaceous#/media/File:Impact_event.jpg

8. https://it.wikipedia.org/wiki/Paleogene#/media/File:Moeritherium.jpg

9. https://it.wikipedia.org/wiki/Quaternario#/media/File:Bisonte_de_Altamira.jpg

Immagine in evidenza: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Timeline_evolution_of_life.svg

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