Atmospheric UV synthesis of aldehydes and oxidant from CO2, CO and H2O initiating the first ancestral metabolism

Prima che la vita potesse iniziare, la Terra aveva bisogno di un modo per trasformare gas semplici e privi di vita in i complessi mattoni della biologia. Gli scienziati hanno a lungo dibattuto su come sia avvenuta questa transizione, concentrandosi su due possibilità principali: o le molecole genetiche come l'RNA sono apparse per prime, o una rete di reazioni chimiche che oggi chiamiamo metabolismo è venuta prima. In entrambi gli scenari, il punto di partenza è lo stesso: l'atmosfera primordiale era ricca di anidride carbonica, monossido di carbonio e vapore acqueo. La domanda è come la luce solare potesse agire su questi ingredienti per creare gli zuccheri, gli acidi e le proteine necessari per dare il via a un sistema vivente. Per decenni, i ricercatori hanno saputo che la luce solare poteva trasformare il monossido di carbonio e l'acqua in formaldeide, una semplice molecola simile a uno zucchero. Tuttavia, non era chiaro se questo processo potesse generare la ricca varietà di sostanze chimiche necessarie per avviare un sistema vivente, o se l'ambiente aspro e ossidante della Terra primordiale avrebbe semplicemente distrutto queste fragili molecole prima che potessero fare qualcosa di utile.

Un team di ricercatori guidato da Yuichiro Ueno presso l'Istituto di Scienza di Tokyo ha ora dimostrato che questa chimica atmosferica è molto più produttiva e complessa di quanto precedentemente ritenuto. Simulando le condizioni dell'atmosfera della Terra primordiale in un contenitore di vetro, hanno mostrato che la luce solare non produce solo formaldeide; crea un'intera famiglia di piccole aldeidi, tra cui acetaldeide e glioxale. Quando questi gas si sciolgono nell'acqua, non rimangono semplicemente lì o si degradano. Al contrario, iniziano a reagire tra loro in un ciclo autosostenuto che imita i processi centrali della respirazione biologica moderna. Lo studio, pubblicato in una versione riveduta per la rivista PEPS, suggerisce che una forma primitiva di metabolismo potrebbe essere emersa spontaneamente dall'interazione tra luce solare, acqua e gas di carbonio, fornendo una base chimica stabile affinché la vita potesse infine radicarsi.

L'esperimento è iniziato riempiendo un recipiente di vetro con monossido di carbonio, anidride carbonica e vapore acqueo, esponendo poi la miscela alla luce ultravioletta che imitava l'intensa luce solare della Terra primordiale. I ricercatori hanno osservato cosa accadeva mentre la luce scindeva le molecole d'acqua, creando frammenti altamente reattivi che attaccavano i gas di carbonio. Hanno scoperto che il processo produceva non solo la prevista formaldeide, ma anche quantità significative di acetaldeide e glioxale. Queste molecole sono cruciali perché fungono da punti di partenza per la costruzione di strutture più grandi e complesse. Il team ha poi tracciato il comportamento di questi gas una volta sciolti nell'acqua liquida sul fondo del contenitore. Nell'acqua, la chimica è diventata ancora più dinamica. Le aldeidi disciolte hanno reagito per formare idrossialdeidi, che sono i precursori degli zuccheri, nonché vari acidi come l'acido glicolico e l'acido lattico.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente sorprendente è il comportamento del sistema nel tempo. I ricercatori hanno osservato che, mentre la luce solare produceva potenti ossidanti che potevano distruggere le molecole organiche, un set specifico di sostanze chimiche è riuscito a sopravvivere e persino a rigenerarsi. Il sistema operava attraverso un ciclo di condensazione, dove piccole molecole si univano per formarne di più grandi; ossidazione, dove acquisivano ossigeno per diventare acidi; e decarbossilazione, dove perdevano un atomo di carbonio per tornare a una forma più piccola. Questo ciclo permetteva a molecole specifiche, come il glicolaldeide e l'acetaldeide, di essere riciclate continuamente. Gli autori lo chiamano il Ciclo di Respirazione Primordiale. Esso funziona come un motore chimico che mantiene in circolazione un set specifico di molecole, proteggendole dalla completa decomposizione in anidride carbonica, finché l'atmosfera continua a fornire nuove aldeidi.

Lo studio ha anche esplorato cosa accadesse introducendo l'ammoniaca in questa miscela, simulando la presenza di azoto nell'ambiente primordiale. I risultati sono stati altrettanto convincenti. La rete esistente di molecole basate sul carbonio ha reagito con l'ammoniaca per produrre amminoacidi, i mattoni delle proteine, nonché composti azotati eterociclici. Questi anelli di azoto sono strutturalmente simili ai coenzimi, che sono aiutanti essenziali nel metabolismo biologico moderno. I ricercatori hanno scoperto che il sistema selezionava naturalmente tipi specifici di amminoacidi, in particolare quelli utilizzati dalla vita odierna, producendo meno delle forme alternative. Ciò suggerisce che l'ambiente chimico stesso potesse aver agito come un filtro, favorendo le molecole che sarebbero diventate parte delle cellule viventi.

I ricercatori sottolineano con cautela che questo non prova che la vita sia iniziata esattamente in questo modo, ma fornisce un meccanismo plausibile e robusto su come potrebbero essersi formate le prime reti metaboliche. Il sistema osservato è auto-organizzante, il che significa che crea il proprio ordine senza la necessità di enzimi o istruzioni genetiche. Si basa interamente sulle leggi fisiche della chimica e sull'energia fornita dal sole. Lo studio smentisce l'idea che la formaldeide fosse l'unico prodotto significativo della fotochimica atmosferica, mostrando invece che una zuppa diversificata di molecole reattive era inevitabile. Inoltre, sfida la nozione secondo cui la natura ossidante dell'atmosfera primordiale avrebbe impedito l'accumulo di materia organica; al contrario, lo studio mostra che gli stessi ossidanti che minacciano di distruggere queste molecole sono anche i motori che mantengono attivo il ciclo.

In definitiva, il lavoro dipinge l'immagine di una Terra prebiotica in cui l'atmosfera e gli oceani erano impegnati in una continua conversazione chimica. La luce solare guidava la conversione di gas semplici in una miscela complessa di organici, che poi si depositavano nell'acqua per formare una rete stabile e riciclabile. Questa rete avrebbe potuto persistere per lunghi periodi, accumulando gli ingredienti necessari per la vita. Quando si sono verificate le condizioni giuste, come la disponibilità di fosfati o la formazione di compartimenti, questo sistema chimico avrebbe potuto transire nei sistemi enzimatici e genetici che riconosciamo come vita. Le scoperte suggeriscono che il progetto del metabolismo non è stato un raro incidente, ma una conseguenza naturale della chimica di un pianeta immerso nella luce solare, in attesa che il prossimo passo dell'evoluzione iniziasse.