Immagina la Terra, quattro miliardi di anni fa. Nell’oscurità di un oceano primordiale, l’acqua surriscaldata scorre attraverso profonde vene di magma sotterraneo e sgorga attraverso le fessure della superficie. Quando il fluido ricco di minerali incontra l’acqua di mare più fredda, i precipitati di ferro e zolfo crescono nelle sorgenti idrotermali delle profondità marine. Da lì, i composti organici semplici iniziano a formare sacche organizzate di chimica. Questo è il modo in cui alcuni scienziati credono che la vita sia emersa dai minerali e le prove a sostegno di questa idea stanno crescendo.
Ordine dalla pietra
Un team internazionale ha recentemente scoperto che l’amminoacido L-cisteina può organizzarsi spontaneamente in fasi molecolari distinte quando depositato su superfici di pirite ordinate atomicamente. Prima si pensava che ciò fosse possibile solo in presenza di difetti molecolari nel sistema pirite. La L-cisteina è uno degli amminoacidi da cui sono costruite le proteine e la sua catena laterale contenente zolfo consente interazioni con i cluster ferro-zolfo in molti enzimi moderni.
“I minerali inorganici potrebbero aver avuto un ruolo nell’assemblaggio dei primi elementi chimici della vita”
I ricercatori hanno prima formato superfici lisce e prive di difetti di cristalli di pirite bombardando la pirite naturale con argon sotto vuoto spinto. Ciò produce terrazze ordinate atomicamente prive di posti vacanti di zolfo e di siti di ferro esposti che in precedenza si riteneva necessari per avviare reazioni con la L-cisteina. Hanno poi depositato molecole di L-cisteina su queste superfici per studiarne l’interazione con la pirite.
Dopo la deposizione, la L-cisteina si è formata in due disposizioni distinte, una in cui le molecole erano disposte in sequenze ripetute regolari e un’altra in cui formavano domini più sciolti che si spostavano sotto la punta di un microscopio. Ciò suggerisce che le interazioni biomolecolari possono avvenire sia su superfici lisce che difettose, rafforzando la tesi secondo cui i minerali inorganici potrebbero aver avuto un ruolo nell’assemblaggio dei primi elementi chimici della vita.
Un mondo prima dei geni
Molte reazioni chimiche essenziali alla vita sono possibili in teoria, ma procedono troppo lentamente per essere utili. I catalizzatori sono quindi essenziali poiché abbassano la barriera energetica per le reazioni, accelerandole a velocità apprezzabili in grado di sostenere la vita. Sorge quindi una domanda fondamentale: quali sono stati i primi catalizzatori che hanno alimentato la chimica della vita?
“La vita iniziò per la prima volta su superfici minerali prodotte da attività geologica attiva”
Una possibilità è che le molecole organiche siano venute prima. L’RNA è un candidato interessante in questo caso, poiché è in grado sia di immagazzinare informazioni che di catalizzare reazioni organiche. Ciò ha portato alcuni ricercatori a proporre un “mondo a RNA”, in cui le molecole organiche avrebbero potuto trasportare informazioni genetiche e catalizzare reazioni essenziali allo stesso tempo. Al contrario, le teorie basate sul metabolismo suggeriscono che la vita sia iniziata come una rete inorganica di reazioni autosufficienti, catalizzate da composti minerali come gli ammassi di pirite. Tuttavia, le due idee potrebbero non escludersi a vicenda, poiché la chimica a base minerale potrebbe aver creato le condizioni che hanno aperto la strada al successivo emergere della chimica organica.
Uno dei primi sostenitori dell’idea che i primi catalizzatori fossero i minerali fu il chimico Günter Wächtershäuser, che propose l’ipotesi del mondo ferro-zolfo nel 1988. Wächtershäuser suggerì che la vita iniziò per la prima volta su superfici minerali prodotte da attività geologica attiva, che forniva sia i reagenti concentrati che l’energia libera necessaria per creare cicli chimici autosufficienti che portarono alla vita. Questa teoria è supportata da alcune prove interessanti trovate nelle cellule moderne, inclusa la nostra: i cluster ferro-zolfo sono un componente importante degli enzimi che catalizzano un’ampia gamma di reazioni metaboliche, come le proteine all’interno dei nostri mitocondri che rilasciano energia durante la respirazione.
Modelli, non prove
Naturalmente, questo è solo un piccolo pezzo di un puzzle più grande. L’esperimento è stato condotto in alto vuoto, con misurazioni effettuate a 4,8K (o -268,35ºC!), per niente vicino alle condizioni calde e acquose della Terra primordiale. Inoltre, i risultati dimostrano semplicemente che sono possibili interazioni fisiche tra pirite e substrati organici, ma non provano la formazione e la replicazione dei peptidi. Per ora, i ricercatori tentano di guardare più in profondità nel passato esaminando le relazioni filogenetiche tra i percorsi biochimici negli organismi moderni e creando modelli complessi che simulano le condizioni di una Terra primordiale.
Al microscopio, le molecole di L-cisteina formano strutture complesse attraverso cristalli di pirite impeccabili. Non sono vivi e non possono né metabolizzare né riprodursi, ma dimostrano come i minerali sterili possano imporre ordine sul materiale organico senza alcuna influenza esterna. Un ampio abisso di tempo separa ancora la chimica prebiotica dalle prime cellule, ma i primi progetti di vita potrebbero provenire dalle rocce, non dai geni.
