Come hanno avuto origine gli elementi costitutivi della vita?

La questione ha a lungo tormentato gli scienziati. La Terra primordiale era costellata di pozze d'acqua ricche di sostanze chimiche: una zuppa primordiale. Eppure dalle miscele sono emerse biomolecole che supportano la vita, ponendo le basi per la comparsa delle prime cellule.

La vita ebbe inizio quando si formarono due componenti. Uno era un vettore molecolare, come, ad esempio, il DNA, per trasmettere e rimescolare i progetti genetici. L'altro componente era costituito dalle proteine, i cavalli da lavoro e gli elementi strutturali del corpo.

Entrambe le biomolecole sono altamente complesse. Negli esseri umani, il DNA ha quattro diverse “lettere” chimiche chiamate nucleotidi, mentre le proteine ​​sono costituite da 20 tipi di amminoacidi. I componenti hanno strutture distinte e la loro creazione richiede sostanze chimiche leggermente diverse. I prodotti finali devono essere in quantità sufficientemente grandi da legarli insieme in DNA o proteine.

Gli scienziati possono purificare i componenti in laboratorio utilizzando additivi. Ma sorge spontanea la domanda: come è successo sulla Terra primordiale?

La risposta, suggerisce il dottor Christof Mast, ricercatore presso l'Università Ludwig Maximilians di Monaco, potrebbe risiedere nelle crepe nelle rocce, come quelle che si verificano nei vulcani o nei sistemi geotermici che erano abbondanti sulla Terra primordiale. È possibile che le differenze di temperatura lungo le fessure separino e concentrino naturalmente i componenti delle biomolecole, fornendo un sistema passivo per purificare le biomolecole.

Ispirandosi alla geologia, il team ha sviluppato camere di flusso di calore delle dimensioni di una carta bancaria, ciascuna contenente minuscole fratture con un gradiente di temperatura. Quando viene somministrata una miscela di aminoacidi o nucleotidi – una “miscela prebiotica” – i componenti si separano facilmente.

L'aggiunta di più camere concentrava ulteriormente le sostanze chimiche, anche quelle che avevano una struttura simile. La rete di fratture ha inoltre consentito agli amminoacidi di legarsi, il primo passo verso la creazione di una proteina funzionale.

"Si ritiene che sistemi di sottili fratture e crepe interconnesse... siano onnipresenti negli ambienti vulcanici e geotermici", ha scritto Il gruppo. Arricchendo le sostanze chimiche prebiotiche, tali sistemi avrebbero potuto “fornire una forza trainante costante per un laboratorio sulle origini naturali della vita”.

Birra Vita

Circa quattro miliardi di anni fa, la Terra era un ambiente ostile, colpito da meteoriti e pieno di eruzioni vulcaniche. Eppure, in qualche modo, nel caos, la chimica ha generato i primi amminoacidi, nucleotidi, lipidi grassi e altri elementi costitutivi che sostengono la vita.

Quale i processi chimici che hanno contribuito a queste molecole sono oggetto di dibattito. Quando ognuno di essi è anche un enigma. Come nel problema dell’uovo o della gallina, il DNA e l’RNA dirigono la creazione delle proteine ​​nelle cellule, ma entrambi i portatori genetici richiedono anche proteine ​​per replicarsi.

Una teoria suggerisce anioni solfidrici, che sono molecole abbondanti nei laghi e nei fiumi della Terra primordiale, potrebbero essere il collegamento. Generati nelle eruzioni vulcaniche, una volta disciolti in pozze d'acqua possono accelerare le reazioni chimiche che convertono le molecole prebiotiche in RNA. Soprannominata l’ipotesi del “mondo dell’RNA”, l’idea suggerisce che l’RNA sia stata la prima biomolecola ad abbellire la Terra perché può trasportare informazioni genetiche e accelerare alcune reazioni chimiche.

Un'altra idea Gli impatti delle meteore sulla Terra primordiale hanno generato nucleotidi, lipidi e amminoacidi simultaneamente, attraverso un processo che include due abbondanti sostanze chimiche - una dalle meteore e un'altra dalla Terra - e un pizzico di luce UV.

Ma c'è un problema: ogni serie di elementi costitutivi richiede una reazione chimica diversa. A seconda delle lievi differenze nella struttura o nella chimica, è possibile che una posizione geografica si sia orientata verso un tipo di molecola prebiotica rispetto a un'altra.

Come? Il nuovo studio, pubblicato in Natura, offre una risposta.

Reti di tunnel

Gli esperimenti di laboratorio che imitano la Terra primordiale di solito iniziano con ingredienti ben definiti che sono già stati purificati. Gli scienziati ripuliscono anche i prodotti collaterali intermedi, soprattutto per le fasi multiple della reazione chimica.

Il processo spesso porta a “concentrazioni incredibilmente piccole del prodotto desiderato”, o la sua creazione può addirittura essere completamente inibita, ha scritto il team. Le reazioni richiedono anche più camere separate spazialmente, che difficilmente assomigliano all’ambiente naturale della Terra.

Il nuovo studio ha preso ispirazione dalla geologia. La Terra primordiale aveva reti complesse di crepe piene d'acqua trovate in una varietà di rocce nei vulcani e nei sistemi geotermici. Le crepe, generate dal surriscaldamento delle rocce, formavano “cannucce” naturali che potrebbero potenzialmente filtrare un complesso mix di molecole utilizzando un gradiente di calore.

Ciascuna molecola favorisce una temperatura preferita in base alle sue dimensioni e alla sua carica elettrica. Se esposto a temperature diverse, si sposta naturalmente verso la sua scelta ideale. Chiamato termoforesi, il processo separa una zuppa di ingredienti in più strati distinti in un unico passaggio.

Il team ha imitato una singola sottile frattura della roccia utilizzando una camera di flusso di calore. La camera aveva all'incirca le dimensioni di una carta bancaria e presentava minuscole fessure larghe 170 micrometri, circa la larghezza di un capello umano. Per creare un gradiente di temperatura, un lato della camera è stato riscaldato a 104 gradi Fahrenheit e l'altra estremità raffreddata a 77 gradi Fahrenheit.

In un primo test, il team ha aggiunto nella camera un mix di composti prebiotici che includevano amminoacidi e nucleotidi del DNA. Dopo 18 ore, i componenti si sono separati in strati come il tiramisù. Ad esempio, la glicina, il più piccolo degli amminoacidi, si è concentrata verso l’alto, mentre altri amminoacidi con una forza termoforetica più elevata si sono concentrati sul fondo. Allo stesso modo, anche le lettere del DNA e altre sostanze chimiche che sostengono la vita si sono separate nelle fessure, alcune delle quali si sono arricchite fino al 45%.

Sebbene promettente, il sistema non somigliava alla Terra primordiale, che presentava crepe altamente interconnesse di dimensioni variabili. Per imitare meglio le condizioni naturali, il team ha poi collegato tre camere, con la prima che si ramificava in altre due. Questo era circa 23 volte più efficiente nell’arricchire le sostanze chimiche prebiotiche rispetto a una camera singola.

Utilizzando una simulazione al computer, il team ha poi modellato il comportamento di un sistema di camere interconnesse 20 x 20, utilizzando una portata realistica di sostanze chimiche prebiotiche. Le camere arricchivano ulteriormente la miscela, con la glicina che arricchiva oltre 2,000 volte di più rispetto ad altri amminoacidi.

Reazioni chimiche

Gli ingredienti più puliti sono un ottimo inizio per la formazione di molecole complesse. Ma molte reazioni chimiche richiedono sostanze chimiche aggiuntive, che devono anch’esse essere arricchite. In questo caso, il team si è concentrato su una reazione che unisce due molecole di glicina.

Al centro c’è il trimetafosfato (TMP), che aiuta a guidare la reazione. Il TMP è particolarmente interessante per la chimica prebiotica, ed era scarso sulla Terra primordiale, ha spiegato il team, il che “rende fondamentale il suo arricchimento selettivo”. Una camera singola ha aumentato i livelli di TMP se miscelata con altre sostanze chimiche.

Utilizzando una simulazione al computer, una miscela di TMP e glicina ha aumentato il prodotto finale, una glicina raddoppiata, di cinque ordini di grandezza.

“Questi risultati mostrano che le reazioni prebiotiche altrimenti difficili vengono enormemente potenziate” con flussi di calore che arricchiscono selettivamente le sostanze chimiche in diverse regioni, ha scritto il team.

In tutto, hanno testato oltre 50 molecole prebiotiche e hanno scoperto che le fratture le separavano facilmente. Poiché ogni crepa può avere un diverso mix di molecole, ciò potrebbe spiegare la nascita di molteplici elementi costitutivi del sostentamento della vita.

Tuttavia, il modo in cui gli elementi costitutivi della vita si sono uniti per formare gli organismi rimane misterioso. I flussi di calore e le fessure nelle rocce sono probabilmente solo un pezzo del puzzle. Il test finale sarà vedere se e come questi prebiotici purificati si collegano per formare una cellula.

Credito immagine: Christof B. Mast

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• Fonte: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/