giovedì 2 febbraio 2017

Abbiamo sbagliato circa l'origine della vita?

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Per quasi nove decenni, la spiegazione preferita della scienza per l'origine della vita è stato il "brodo primordiale". Questa è l'idea: la vita ha avuto origine da una serie di reazioni chimiche in uno stagno caldo sulla superficie terrestre, reazioni innescate da una fonte di energia esterna, come i fulmini o i raggi ultravioletti (UV). Ma una recente ricerca aggiunge peso a un'idea alternativa, che la vita sia nata in profondità nell'oceano entro calde strutture rocciose chiamate camini idrotermali.

Uno studio pubblicato su Nature Microbiology suggerisce che l'ultimo antenato comune di tutte le cellule viventi si alimentava dei gas di idrogeno in un ambiente ricco di ferro e caldo, molto simile a quello presente all'interno dei camini vulcanici. I sostenitori della teoria convenzionale sono scettici sul fatto che questi risultati dovrebbero cambiare la nostra visione delle origini della vita. Ma l'ipotesi idrotermale, che è spesso descritta come esotica e controversa, spiega come nelle cellule viventi si sia evoluta la capacità di ottenere energia in un modo che non sarebbe stato proprio possibile nel brodo primordiale.

Secondo la teoria convenzionale, la vita è apparentemente iniziata quando un fulmine o dei raggi UV portarono alcune molecole semplici ad unirsi insieme in composti più complessi. Ciò culminò nella creazione di molecole di informazione-memorizzazione simili al nostro DNA, alloggiate all'interno delle bolle di protezione delle cellule primitive. Esperimenti di laboratorio confermano che tracce di mattoni molecolari che compongono le proteine ​​e le molecole di informazione-archiviazione possono venire creati in queste condizioni. Per molti, il brodo primordiale è l'ambiente più plausibile per l'origine delle prime cellule viventi.
Ma la vita non è solo replicare le informazioni memorizzate all'interno del DNA. Tutti gli esseri viventi devono riprodursi per sopravvivere, ma replicare il DNA, assemblare nuove proteine ​​e costruire una cellula da zero richiedono enormi quantità di energia. Al centro della vita stanno i meccanismi per ottenere energia dall'ambiente, immagazzinarla e canalizzarla all'interno della mambrana al fine di svolgere reazioni metaboliche essenziali per le cellule.
Da dove questa energia arriva e come arriva può dirci molto a proposito dei principi universali che regolano l'evoluzione e l'origine della vita.
Studi recenti suggeriscono che il brodo primordiale non era il tipo di ambiente giusto per canalizzare l'energetica delle prime cellule viventi.

Tutti i libri di testo riportano che la vita sulla Terra è stata alimentata dall'energia fornita dal sole e catturata dalle piante, o estratta da composti semplici come l'idrogeno o il metano. Molto meno noto è il fatto che tutta la vita sfrutta questa energia nello stesso modo piuttosto caratteristico.
Questo processo funziona un po' come una diga idroelettrica. Invece di alimentare direttamente le loro reazioni metaboliche fondamentali, le cellule utilizzano l'energia dal cibo per pompare protoni (atomi di idrogeno caricati positivamente) in un serbatoio dietro una membrana biologica. Questo crea ciò che è noto come un "gradiente di concentrazione" con una maggiore concentrazione di protoni su un lato della membrana rispetto all'altro. I protoni poi scorrono all'indietro attraverso le turbine molecolari incorporate all'interno della membrana, come l'acqua che scorre attraverso una diga. Ciò genera composti ad alta energia che vengono poi utilizzati per alimentare il resto delle attività della cellula.

La vita si sarebbe potuta evolvere per sfruttare una delle innumerevoli fonti di energia disponibile sulla terra, dalle fonti di calore, alle scariche elettriche ai minerali naturalmente radioattivi. Invece, tutte le forme di vita sono guidate dalle differenze di concentrazione di protoni attraverso le membrane cellulari. Questo suggerisce che le prime cellule viventi raccoglievano l'energia in un modo simile e che la vita stessa è sorta in un ambiente in cui i gradienti protonici erano la fonte di energia più accessibile.

L' ipotesi dei camini
Recenti studi basati su gruppi di geni che erano probabilmente presenti nelle prime cellule viventi fanno risalire l'origine della vita alle sorgenti idrotermali sommerse. Si tratta di strutture geologiche porose prodotte da reazioni chimiche tra roccia e acqua. Fluidi alcalini vengono portati su dalla crosta terrestre fino allo sfiato che sbocca nell'acqua dell'oceano più acida, creando differenze di concentrazione di protoni naturali notevolmente simili a quelle che alimentano tutte le cellule viventi.
Gli studi suggeriscono che nelle prime fasi dell'evoluzione della vita, le reazioni chimiche nelle cellule primitive erano probabilmente guidate da questi gradienti protonici non biologici. Le cellule poi hanno imparato a produrre autonomamente questi gradienti e sono così riuscite ad uscire dai camini per colonizzare il resto del mare e infine il pianeta.

Mentre i sostenitori della teoria del brodo primordiale sostengono che le scariche elettrostatiche e la radiazione ultravioletta del Sole hanno guidato le prime reazioni chimiche della vita, bisogna tenere presente che la vita terrestre non è alimentata da nessuna di queste fonti di energia. Invece, alla base della produzione di energia delle cellule viventi ci stanno i gradienti di ioni creati attraverso le membrane biologiche. Niente di anche lontanamente simile sarebbe potuto emergere nei laghetti caldi di brodo primordiale sulla superficie terrestre. In questi ambienti, composti chimici e particelle cariche tendono ad essere uniformemente diluiti invece di formare gradienti o stati di non equilibrio che sono così centrali nella vita.

Le sorgenti idrotermali di acque profonde rappresentano l'unico ambiente noto che potrebbe aver creato molecole organiche complesse, con lo stesso tipo di meccanismo energetico sfruttato anche dalle cellule moderne. La ricerca delle origini della vita nel brodo primordiale aveva un senso quando poco si sapeva circa i principi universali che regolano gli scambi energetici delle cellule viventi. Ma alla luce delle moderne conoscenze, è tempo di abbracciare ipotesi alternative che riconoscano l'importanza del flusso di energia nella guida delle prime reazioni biochimiche. Queste teorie possono colmare il divario tra l'energetica delle cellule viventi e quella delle molecole non viventi.

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