La chimica dell’origine della vita: parte prima (introduzione)

Nel precedente articolo si è parlato di come molecole organiche come zuccheri semplici si possano formare nel mezzo interstellare e di come, assieme a numerose altre sostanze, si diffondano nello spazio. Il cosmo, dunque, è un sistema dinamico in continua evoluzione, anche se spesso le sue scale temporali, così lunghe se confrontate con le nostre vite, fanno si che pensiamo ad esso come un luogo statico. La vita stessa è un processo che per formarsi ed evolversi ha avuto bisogno di molto tempo. 

Finora conosciamo un solo sistema che ospita la vita ed è la terra; quando scrutiamo lì fuori con i nostri telescopi e sonde, non possiamo non renderci conto di quel suo dolce equilibrio che la mantiene. Sembra quasi assurdo pensare che improvvisamente, da un sistema costituito da gas (prevalentemente idrogeno) e una manciata di altri elementi, possa accadere qualcosa di straordinario: una perturbazione che destabilizza la nube fino a farla collassare su se stessa e come dal nulla si accende una luce, il sole, e dopo qualche miliardo di anni, il tempo affinché quel sistema possa evolvere, eccoci qua a raccontare la storia di come siamo nati.

Abbiamo la tendenza a ritenerci speciali, unici, ma forse non è così, magari la vita è un evento più probabile di quello che siamo portati a credere, magari siamo uno dei tanti sistemi che la ospitano. Pensiamoci bene: “cosa serve affinché la vita prenda forma?” Serve tempo e condizioni adatte . Il tempo molto spesso non manca, quello che spesso troviamo difficile trovare in altri sistemi sono le giuste condizioni. A questo punto ci si potrebbe chiedere:  “Date le giuste condizioni e dando il tempo necessario a quel sistema di evolvere, sarà in grado di generare forme di vita?” Se così fosse potremmo dire che la vita è un processo inevitabile nel nostro universo, uno dei tanti sottoprodotti della sua costante evoluzione. Oggi noi uomini, ospiti sul pianeta terra, tentiamo di rispondere alla domanda delle domande: ”Quali sono quei processi chimici  che hanno permesso di passare da atomi e molecole inanimate alla nascita delle prime forme di vita?”. Diciamo che rispondere ad una tale domanda richiede uno sforzo di immaginazione notevole, gli indizi non sono molti e si devono fare necessariamente numerose ipotesi. 

Dopo questo lungo e spero non troppo tedioso prologo, entriamo nel merito della questione, esplorando quali dovevano essere le condizioni sulla terra affinché la vita potesse emergere.

La terra primordiale

Analizzando alcune rocce, siamo riusciti a trovare strutture prodotte da microrganismi risalenti a 3,5 miliardi di anni fa, ovvero circa un miliardo di anni dopo la formazione della Terra. Un tempo che se ci pensiamo non è elevatissimo, considerando la complessità associata alla vita e che probabilmente organismi ancor più primitivi, le cui tracce sono scomparse, esistevano già da tempo. Un indizio cruciale viene dall’analisi di zirconi antichissimi ritrovati in Australia, datati 4,4 miliardi di anni fa, che indicano che acqua liquida era già presente in abbondanza.

[Fig.1: immagine di uno zircone al microscopio elettronico. Gli zirconi rappresentano per gli scienziati delle vere e proprie macchine del tempo poiché resistenti ai cambiamenti conservando così tracce dell’ambiente dalla quale si sono formati. Fonte immagine: Wikipedia]

Questo risultato dice due cose importantissime: che la terra ha acquisito molto presto un oceano e che le condizioni adatte allo sviluppo della vita erano presenti dai primissimi istanti, rafforzando la teoria secondo la quale la terra abbia subito un raffreddamento molto rapido dopo la sua formazione. L’acqua infatti rappresenta la chiave di volta per la vita, fungendo da solvente nel quale le sostanze possono disciogliersi e reagire, formando molecole sempre più complesse. Tuttavia, per avere un quadro completo di ciò che succedeva all’epoca, bisogna considerare altri fattori, come la composizione atmosferica,  che ci dice quali composti si formavano prevalentemente e dunque da quali specie partire per sintetizzare in laboratorio aminoacidi, zuccheri, acidi nucleici e altre molecole biologiche. Lo studio della composizione atmosferica ha rappresentato un grattacapo per gli scienziati per molto tempo; inizialmente si pensava che l’atmosfera primordiale fosse simile a quella di Giove, ovvero composta principalmente da idrogeno, con una percentuale modesta di ammoniaca e metano, così i primi esperimenti sull’origine della vita furono condotti facendo passare scariche elettriche in un’atmosfera altamente riducente, come nel famosissimo esperimento di Urey e Miller del 1953, che viene considerato tutt’oggi la pietra miliare nella ricerca dell’origine della vita. Quello che trovarono facendo reagire tale miscela, furono una moltitudine di molecole organiche, tra cui aminoacidi, urea e acido cianidrico, che fornirono un primo link con l’ambiente dalla quale la vita doveva emergere e i tipi di composti organici che in maniera plausibile dovevano essere coinvolti. Purtroppo, anni dopo, prove provenienti da rocce vulcaniche confutarono l’ipotesi di un’atmosfera riducente a favore di una ossidante, composta principalmente da azoto e anidride carbonica, con il metano presente solo in tracce e l’idrogeno in modeste quantità, anche se sull’abbondanza di quest’ultimo si discute ancora molto. La nuova atmosfera portò necessariamente ad un ripensamento dei processi che dovevano avvenire, facendo sorgere vari dubbi. A partire da atmosfere ossidanti non si riusciva a ottenere una buona resa dei prodotti e dunque sembrava che una tale atmosfera dovesse essere troppo inerte per poter generare la vita. Oggi però sono stati messi appunto modelli in cui si pensa che le reazioni in atmosfera abbiano fornito solo pochi ingredienti di base e che poi questi, diffondendosi nelle acque di lagune o pozze poco profonde, potessero concentrarsi e reagire. 

[Fig.2: rappresentazione dell’esperimento di Miller e Urey. Fonte immagine: Wikipedia]

Proviamo ora ad immaginare come potesse essere la terra 4,4 miliardi di anni fa. Essa doveva essere un luogo tumultuoso, dove l’attività vulcanica molto intensa plasmava l’atmosfera, impatti frequenti con asteroidi diffondevano sostanze sulla superficie e un giovane sole, un po’ meno luminoso di quello attuale, forniva energia sufficiente a mantenere l’acqua liquida e dunque un ciclo idrogeologico. Inoltre, proprio come accade oggi, erano presenti stagioni, grazie alle quali bacini idrici, evaporando durante le stagioni calde, potevano concentrarsi, favorendo le reazioni, e diffondere le sostanze grazie a piogge e venti. Tutto questo dinamismo era essenziale affinché i vari composti chimici potessero reagire e portare ad un aumento della complessità.

Abbiamo dunque definito le condizioni iniziali, non rimane che capire come sia avvenuta questa transizione da molecole inanimate a organismi viventi. Da ormai cinquant’anni avanza l’ipotesi ad opera di Walter Gilbert che la risposta al problema dell’origine della vita sia da ricercarsi nell’RNA.

[Fig.3: catena di RNA con le sue quattro basi azotate. Come si può notare il ribosio e il fosfato formano lo scheletro della struttura mentre la diversa disposizione delle basi azotate ne determina le caratteristiche. Fonte immagine: concessione dell’autore.
]

L’RNA ha infatti la particolarità di immagazzinare l’informazione genetica e svolgere funzioni catalitiche, e data la sua relativa semplicità, sembra essere il candidato ideale allo scopo. Guardando la sua struttura però, notiamo che essa è composta da subunità che si ripetono e che a loro volta sono costituite da tre composti: il ribosio, il fosfato e una base azotata.  Il ribosio è uno zucchero formato da cinque atomi di carbonio, ed è pensato formarsi dalla reazione tra glicolaldeide e formaldeide, entrambi composti che come abbiamo visto nel precedente articolo si trovano in abbondanza anche nelle comete. Le basi azotate che compongono l’RNA sono quattro ed è stato dimostrato da esperimenti di laboratorio che possono formarsi in presenza di soluzioni concentrate contenenti urea e acido cianidrico, entrambi prodotti in discrete quantità in atmosfera. L’ultimo composto che compone l’RNA è il gruppo fosfato, la cui disponibilità ai tempi si pensa potesse essere scarsa a causa del fatto che tutto il fosfato doveva essere intrappolato in minerali insolubili. Tuttavia, studi recenti indicano che soluzioni contenenti cianati e urea, che abbiamo visto essere composti di partenza anche per la formazione di basi azotate, possono sciogliere parte dei fosfati rendendolo disponibile per reagire. Naturalmente il tutto è stato descritto in maniera piuttosto semplice e molto spesso queste reazioni hanno bisogno di minerali presenti in soluzione, che fungono da catalizzatori per produrre rese modeste. Dobbiamo considerare inoltre che, per formare un singolo monomero, questi composti devono trovarsi nel medesimo ambiente e purtroppo spesso le condizioni necessarie per formare un certo composto non vanno bene per un altro.

Per concludere: in questa prima parte dell’articolo si è voluto esplorare quali dovevano essere le condizioni iniziali sulla terra che hanno decretato i costituenti di partenza dai quali si è generata la vita; nel prossimo capitolo, parleremo di come recentemente si è riusciti a mettere a punto percorsi unici di reazione, che da pochi costituenti di base portano alla formazione di molecole di RNA.


Simone Pistillo

Studente di Chimica Fisica presso l’università di Roma “La Sapienza” anche se da sempre porto avanti la passione per l’astronomia con l’obiettivo un giorno di congiungere le due cose. Nel tempo libero dedito alla fotografia di insetti e altri animali orripilanti, al tennis e soprattutto alla pasta. Tanta pasta.

Bibliografia

  • http://exploringorigins.org.
  • Thomas M. McCollom. 2013. Miller-Urey and Beyond: What Have We Learned About Prebiotic Organic Synthesis Reactions in the Past 60 Years?. Annu. Rev. Earth Planet. Sci.
  • Sidney Becker, Jonas Feldmann, Stefan Wiedemann, Hidenori Okamura, Christina Schneider, Katharina Iwan, Antony Crisp , Martin Rossa , Tynchtyk Amatov, Thomas Carell1. 2019. Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides. Science.

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