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La prima prova che gli aminoacidi si sono formati subito dopo il Big Bang
Nel 1952, i chimici Stanley Miller e Harold Urey riprodussero notoriamente le condizioni che esistevano sulla Terra circa quattro miliardi di anni fa. Hanno mescolato acqua, ammoniaca, metano e idrogeno in un pallone sigillato, riscaldandolo e facendolo esplodere con scintille per simulare un fulmine. L'esperimento è famoso perché nel giro di pochi giorni il pallone ha cominciato a riempirsi di molecole organiche complesse come gli aminoacidi, che sono i mattoni della vita.
Le implicazioni erano chiare. Se gli elementi costitutivi della vita sono semplici da produrre, allora forse la vita stessa potrebbe non essere così difficile da creare. Ha sollevato la possibilità provvisoria che la vita possa sorgere nell'universo ovunque le condizioni lo consentano.
Da allora gli astronomi hanno trovato prove delle stesse molecole su altri pianeti, negli asteroidi e persino nello spazio interstellare.
E questo solleva alcune domande interessanti. Come si sono formate le molecole nell'universo e quando sono emerse quelle più complesse? E cosa suggerisce questo sull'origine della vita?
Oggi riceviamo una risposta dal lavoro di Stuart Kauffman dell'Institute for Systems Biology di Seattle e dei colleghi della Eotvos University di Budapest. Questi ragazzi hanno simulato il modo in cui le molecole devono essersi formate nell'universo primordiale e hanno mostrato come questo riproduca la miscela chimica che gli astronomi ora osservano nello spazio. Il lavoro ha importanti implicazioni per la nostra comprensione dell'origine della vita e per come potremmo ricrearla in laboratorio con la biologia sintetica.
Innanzitutto, un po' di background. Sulla Terra, la vita sembra essere iniziata circa quattro miliardi di anni fa in condizioni del tutto diverse da quelle che esistono oggi. Miller e Urey li riprodussero nel loro famoso esperimento.
Ma come ha fatto la Terra ad avere questo mix in primo luogo? Gli astronomi possono vedere prove nello spazio di molecole semplici, come l'acqua e l'ammoniaca, ma anche di molecole più complesse come gli idrocarburi policiclici aromatici e gli amminoacidi. Allora come è nato questo mix?
La risposta più ampia è che il Big Bang ha creato grandi quantità di idrogeno ed elio, che si sono fuse all'interno delle prime stelle per creare elementi più pesanti come carbonio, ossigeno e azoto. E un'ulteriore formazione stellare ha forgiato l'insieme più pesante di elementi che vediamo oggi sulla Terra.
Ma il modo in cui questi elementi si combinano per formare le molecole non è chiaramente compreso. Uno dei motivi è che il numero di possibili molecole è enorme. Il numero di diverse molecole aumenta in modo super-esponenziale con la dimensione dell'insieme [di atomi], affermano Kauffman e co.
Quindi semplificano il problema guardando solo alla massa delle possibili molecole. Questo è un gruppo più piccolo e quindi più facile da considerare, perché molte molecole diverse possono avere la stessa massa.
La distribuzione delle molecole sulla Terra è un buon punto di partenza, perché rappresenta l'ambiente chimicamente più diversificato conosciuto dalla scienza.
Quindi Kauffman e compagni hanno esaminato la distribuzione delle masse molecolari sulla Terra, presa dal Database PubChem di oltre 90 milioni di molecole, la stragrande maggioranza delle quali naturali. Questa distribuzione raggiunge un picco di circa 290 dalton (equivalente in massa a circa 24 atomi di carbonio).
Tuttavia, molte molecole diverse hanno questa stessa massa. La distribuzione ha anche una lunga coda di molecole di massa elevata misurata in migliaia di dalton.
Successivamente, i ricercatori hanno confrontato questa distribuzione con quella del meteorite Murchison, una grande roccia spaziale ben studiata caduta sulla città di Murchison, in Australia, nel 1969.
Varie analisi mostrano che questa roccia contiene almeno 58.000 molecole diverse. Ma per ragioni sperimentali, le masse inferiori a 200 dalton e superiori a 2.000 dalton non possono essere misurate, quindi Kauffman e compagni devono correggere questa omissione.
La distribuzione della massa in queste molecole segue quindi uno schema simile a quello visto nel database PubChem. La distribuzione di Murchison raggiunge un picco di circa 240 dalton e ha una coda estesa. Questo è utile perché il meteorite Murchison risale alla formazione del sistema solare circa cinque miliardi di anni fa, rendendolo un'istantanea dell'evoluzione chimica di un'epoca precedente.
L'idea chiave in questo articolo è che confrontando le due distribuzioni, è possibile capire quando devono essersi formate prima molecole complesse.
Una parte importante del puzzle è come è nato questo modello di distribuzione. Per scoprirlo, Kauffman e colleghi studiano lo spazio di tutte le possibili sostanze chimiche e mostrano che le molecole possono crescere in due modi diversi.
Nella prima, molecole più grandi si formano dalle reazioni di molecole più piccole in un accumulo casuale. In questo processo, quasi tutte le possibili piccole molecole e composizioni vengono create dopo un certo tempo, affermano i ricercatori.
Tuttavia, l'accumulo casuale non può spiegare la distribuzione di molecole molto grandi. Kauffman e compagni affermano che questi devono formarsi in un processo diverso, chiamato attaccamento preferenziale. Ad esempio, le catene peptidiche o gli idrocarburi aromatici policiclici non sono costruiti tramite l'accumulo casuale di atomi, ma principalmente dall'accumulo di blocchi più grandi come gli amminoacidi e gli anelli aromatici, dicono.
La chiave è che ogni processo porta a una distribuzione diversa. L'accumulo casuale provoca il picco a 240 dalton da piccole molecole che si formano in tempi relativamente brevi. L'attaccamento preferenziale crea la lunga coda di molecole più grandi, che si formano molto più tardi.
Confrontando le dimensioni relative di queste due distribuzioni sul meteorite Murchison e sulla Terra, dovrebbe essere possibile estrapolare a ritroso per capire quando è iniziato il processo di attaccamento preferenziale, in altre parole, quando gli amminoacidi sono apparsi per la prima volta nell'universo.
Questo è esattamente ciò che Kauffman e i suoi compagni fanno. E la risposta è che gli amminoacidi sono apparsi per la prima volta circa 168 milioni di anni dopo il Big Bang, un semplice battito di ciglia in termini cosmologici.
Tutto questo pone l'esperimento Miller-Urey in una prospettiva molto diversa. Invece di simulare le condizioni in cui è emersa la vita sulla Terra, questo esperimento riproduce effettivamente le condizioni in cui gli amminoacidi si sono formati per la prima volta nell'universo primordiale. In effetti, questo sembra essere avvenuto molto prima di quanto chiunque avesse immaginato.
Ciò ha implicazioni significative per il nostro pensiero sulle origini della vita. I risultati suggeriscono che gli ingredienti principali della vita, come aminoacidi, nucleotidi e altre molecole chiave, sono emersi molto presto, circa 8-9 miliardi di anni prima della vita, affermano Kauffman e co.
Poiché le condizioni precise in cui la vita si è evoluta sulla Terra hanno impiegato altri otto-nove miliardi di anni per emergere, gli amminoacidi non possono essere affatto un segno del potenziale vitale, come si era pensato dopo l'esperimento Urey-Miller. La loro esistenza nei campioni non è affatto un precursore immediato della vita, affermano Kauffman e co.
Questo spiega anche perché i tentativi di estendere esperimenti come quelli di Urey e Miller per mesi e anni non hanno mai prodotto nulla di interessante. Anche le simulazioni al computer dell'origine della vita non hanno mai prodotto prove chiare di come si possa passare dagli amminoacidi alle reti chimiche autocatalitiche e quindi alle molecole di vita che si auto-riproducono.
Ciò mette un po' di freno all'idea che l'universo possa essere brulicante di vita. Invece, i biologi che studiano l'origine della vita dovranno guardare molto più da vicino le condizioni speciali in cui si verifica l'evoluzione biologica o, come dicono Kauffman e colleghi, post-chimica. I segreti della vita sono codificati nelle interazioni e nell'evoluzione post-chimica di queste famiglie di molecole, dicono.
Chiaramente, c'è molto lavoro da fare.
Rif: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : L'orologio dell'evoluzione chimica