Il dibattito infuria tra biologi e chimici sul fatto che la vita sia iniziata sulla terra o sotto il mare. Rachel Brazil esamina gli argomenti

La domanda “Come è iniziata la vita?” è strettamente legata alla domanda “Dove è iniziata la vita? La maggior parte degli esperti è d’accordo sul ‘quando’: 3,8-4 miliardi di anni fa. Ma non c’è ancora consenso sull’ambiente che potrebbe aver favorito questo evento. Dalla loro scoperta, le bocche idrotermali del mare profondo sono state suggerite come luogo di nascita della vita, in particolare le bocche alcaline, come quelle trovate nel campo della ‘Città Perduta’ nel medio Atlantico. Ma non tutti sono convinti che la vita sia iniziata nel mare – molti dicono che la chimica non funziona e cercano un luogo di nascita sulla terraferma. Con diverse ipotesi in gioco, la corsa è in corso per replicare le condizioni che hanno permesso alla vita di emergere.

Nel 1977, il primo sfiato idrotermale di mare profondo è stato scoperto nella dorsale medio-oceanica East Pacific Rise. Chiamate “fumatori neri”, le bocche emettono acqua riscaldata geotermicamente fino a 400°C, con alti livelli di solfuri che precipitano a contatto con l’oceano freddo per formare il fumo nero. Questo è stato seguito nel 2000 dalla scoperta di un nuovo tipo di sfiato idrotermale alcalino di mare profondo trovato un po’ fuori asse dalle creste medio-oceaniche. Il primo campo, noto come la Città Perduta, è stato scoperto sul fondo marino Atlantis Massif montagna nel medio Atlantico.

Le bocchette sono formate da un processo noto come serpentinizzazione. La roccia del fondo marino, in particolare l’olivina (silicato di ferro e magnesio) reagisce con l’acqua e produce grandi volumi di idrogeno. Nella Città Perduta, quando i fluidi alcalini caldi (45-90°C e pH 9-11) si mescolano con l’acqua di mare, creano camini bianchi di carbonato di calcio alti 30-60m.

Nel 1993, prima che le bocchette alcaline fossero effettivamente scoperte, il geochimico Michael Russell del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della Nasa in California, USA, suggerì un meccanismo attraverso il quale la vita potrebbe essere iniziata in tali bocchette.1 Le sue idee, aggiornate nel 2003,2 suggeriscono che la vita sia nata sfruttando i gradienti di energia che esistono quando l’acqua alcalina delle bocchette si mescola con l’acqua marina più acida (si pensa che i primi oceani contenessero più anidride carbonica di adesso).

Questo rispecchia il modo in cui le cellule sfruttano l’energia. Le cellule mantengono un gradiente protonico pompando protoni attraverso una membrana per creare un differenziale di carica dall’interno all’esterno. Conosciuto come forza protonica motrice, questo può essere equiparato a una differenza di circa 3 unità di pH. È effettivamente un meccanismo per immagazzinare energia potenziale che può poi essere sfruttata quando i protoni possono passare attraverso la membrana per fosforilare l’adenosina difosfato (ADP), creando ATP.

La teoria di Russell suggerisce che i pori nei camini delle bocche idrotermali fornivano modelli per le cellule, con la stessa differenza di 3 unità di pH attraverso le sottili pareti minerali dei micropori interconnessi che separano le bocche e l’acqua del mare. Questa energia, insieme ai minerali catalitici di solfuro di ferro e nichel, ha permesso la riduzione dell’anidride carbonica e la produzione di molecole organiche, poi di molecole auto-replicanti, e infine di vere cellule con le proprie membrane.

Giardini chimici

La chimica Laura Barge, anche lei ricercatrice al JPL, sta testando questa teoria usando i giardini chimici – un esperimento che potresti aver fatto a scuola. Guardando i giardini chimici “pensi che sia vita, ma non lo è assolutamente”, dice Barge, specializzata in sistemi chimici auto-organizzati. Il classico giardino chimico si forma aggiungendo sali metallici a una soluzione reattiva di silicato di sodio. Gli anioni del metallo e del silicato precipitano per formare una membrana colloidale gelatinosa semipermeabile che racchiude il sale metallico. Questo stabilisce un gradiente di concentrazione che fornisce l’impulso per la crescita di colonne cave simili a piante.

“Abbiamo iniziato a simulare ciò che si potrebbe ottenere con un fluido di sfiato e l’oceano e possiamo crescere piccoli camini – sono essenzialmente come giardini chimici”, spiega Barge. Per simulare l’oceano primordiale ha iniettato soluzioni alcaline in soluzioni acide ricche di ferro, creando camini di idrossido di ferro e solfuro di ferro. Da questi esperimenti il suo team ha illustrato che possono generare elettricità: poco meno di un volt da quattro giardini, ma abbastanza per alimentare un LED,3 dimostrando che il tipo di gradienti protonici che forniscono energia nelle bocchette del mare profondo può essere replicato.

Nick Lane, un biochimico dell’University College London nel Regno Unito, ha anche cercato di ricreare sistemi geo-elettrochimici prebiotici con il suo reattore delle origini della vita. Egli favorisce la teoria di Russell, anche se non è contento dell’etichetta di ‘primo metabolismo’ che gli viene spesso data, in opposizione alla teoria ‘prima informazione’ che suppone che la sintesi di molecole di RNA replicanti sia stato il primo passo verso la vita. Sono dipinti come opposti, ma penso che sia sciocco”, dice Lane. Per come la vedo io, stiamo cercando di capire come si arriva ad un mondo in cui c’è selezione e si può dare origine a qualcosa come i nucleotidi.”

Lane è stato persuaso da quanto strettamente la geochimica e la biochimica si allineino. Per esempio, minerali come la greigite (Fe3S4) si trovano all’interno delle bocchette e mostrano alcune relazioni con i cluster di ferro e zolfo che si trovano negli enzimi microbici. Potrebbero aver agito come enzimi primitivi per la riduzione dell’anidride carbonica con idrogeno e la formazione di molecole organiche. Ci sono anche delle differenze, le barriere sono più spesse e così via, ma l’analogia è molto precisa e quindi la domanda diventa “È possibile che questi gradienti protonici naturali abbattano la barriera alla reazione tra idrogeno e anidride carbonica?””

Il semplice reattore da banco a flusso aperto delle origini della vita4 di Lane sta simulando le condizioni dello sfiato idrotermale. Su un lato di una barriera catalitica ferro-nichel-zolfo semiconduttrice, viene pompato un fluido alcalino per simulare i fluidi di sfiato e, dall’altro lato, una soluzione acida che simula l’acqua di mare. Oltre alle velocità di flusso, le temperature possono essere variate su entrambi i lati. Attraverso la membrana, “Il primo passo è cercare di far reagire l’anidride carbonica con l’idrogeno per produrre sostanze organiche, e sembriamo avere successo nel produrre formaldeide in questo modo”, dice Lane.

Finora i rendimenti sono stati molto bassi, ma Lane ritiene di avere una “prova di principio”. Stanno lavorando per replicare i loro risultati e dimostrare che la formaldeide vista non proviene da un’altra fonte come la degradazione dei tubi. Dalle stesse condizioni, Lane dice che sono stati anche in grado di sintetizzare bassi rendimenti di zuccheri, tra cui lo 0,06% di ribosio, dalla formaldeide, anche se non alla concentrazione di formaldeide prodotta dal solo reattore.

Scavando più a fondo

Investigando le bocche idrotermali, il geochimico Frieder Klein del Woods Hole Oceanographic Institution negli Stati Uniti ha scoperto una variazione sulla storia delle origini del mare profondo. Ha trovato prove di vita nella roccia sotto il fondo del mare che potrebbe aver fornito l’ambiente giusto per l’inizio della vita.

Klein e colleghi stavano esaminando campioni da carote perforate dal margine continentale iberico al largo della costa della Spagna e del Portogallo nel 1993. I campioni provenivano da una roccia a 760 metri sotto l’attuale fondale marino, che sarebbe stato 65 metri sotto il primo fondale oceanico non sedimentato. Ha visto alcune vene dall’aspetto insolito nei campioni, composte da minerali trovati anche nel sistema idrotermale di Lost City. Questo mi ha incuriosito perché questo assemblaggio di minerali si forma solo quando si mescolano i fluidi idrotermali con l’acqua di mare”, dice Klein. Questo suggerisce che una chimica simile potrebbe essere in corso sotto il fondo del mare.

In queste vene, datate a 120 milioni di anni fa, il team di Klein ha trovato inclusioni di microbi fossilizzati. Egli suggerisce che le proprietà essiccanti del minerale brucite (Mg(OH)2) potrebbero spiegare la conservazione delle molecole organiche dei microbi. Queste includevano aminoacidi, proteine e lipidi che sono stati identificati dalla spettroscopia Raman confocale. Klein dice di essere stato inizialmente scettico, ma l’analisi dei campioni estratti ha confermato biomarcatori lipidici unici per batteri e archei solfato-riduttori, che si trovano anche nel sistema delle bocche idrotermali di Lost City.5 L’imaging al SEM ha mostrato inclusioni di carbonio che, dice, “sembravano assomigliare a micro-colonie di microrganismi”

Anche se ovviamente questi campioni sono molto più giovani, “La presenza di questi microbi ci dice che la vita è possibile in ambienti di fondo marino in sistemi idrotermali, che probabilmente erano presenti e attivi per la maggior parte della terra primitiva”, osserva Klein. Il fondo sottomarino rappresenta un altro ambiente più protetto.”

Landlocked

Ma non tutti sono d’accordo che la vita sia iniziata nei sistemi idrotermali del mare profondo. Armen Mulkidjanian dell’Università di Osnabruck in Germania dice che ci sono diversi grossi problemi con l’idea, uno dei quali è la concentrazione relativa di ioni sodio e potassio che si trova nell’acqua di mare rispetto alle cellule.

Mulkidjanian invoca quello che lui chiama il principio di conservazione della chimica – una volta stabilito in qualsiasi ambiente, gli organismi manterranno ed evolveranno meccanismi per proteggere la loro architettura biochimica fondamentale. Dice quindi che non ha senso che cellule che contengono 10 volte più potassio che sodio abbiano origine nell’acqua di mare, che ha 40 volte più sodio che potassio. La sua ipotesi è che le protocellule devono essersi evolute in un ambiente con più potassio che sodio, sviluppando solo pompe ioniche per rimuovere il sodio indesiderato quando il loro ambiente è cambiato.

Mulkidjanian pensa che la vita potrebbe essere scaturita da sistemi geotermici, come i campi geotermici della Kamchatka siberiana nell’Estremo Oriente russo. Abbiamo iniziato a cercare dove potevamo trovare condizioni con più potassio che sodio e le uniche cose che abbiamo trovato erano sistemi geotermici, in particolare dove si ha vapore che esce dalla terra”, spiega. Sono solo le piscine create da bocche di vapore ad avere più potassio che sodio; quelle formate da bocche di liquido geotermico hanno ancora più sodio che potassio. Una manciata di tali sistemi esiste oggi, in Italia, negli Stati Uniti e in Giappone, ma Mulkidjanian suggerisce che sulla più calda terra primitiva ci si aspetterebbe molti di più.

David Deamer dell’Università della California Santa Cruz negli Stati Uniti ha studiato macromolecole e membrane lipidiche per oltre 50 anni. Arriva al campo da un’angolazione leggermente diversa, che alcuni hanno chiamato ‘membrane first’. Ma, dice, ‘sono abbastanza sicuro che il modo migliore per capire l’origine della vita è capire che è un sistema di molecole che lavorano tutte insieme, proprio come fanno nella vita di oggi’. La posizione “si riduce a un giudizio di plausibilità da parte mia”, riflette.

Uno dei maggiori argomenti contro un’origine dal mare profondo è il fatto che così tante macromolecole si trovano in biologia. DNA, RNA, proteine e lipidi sono tutti polimeri e si formano tramite reazioni di condensazione. Hai bisogno di un ambiente fluttuante che sia a volte umido e a volte secco – un periodo umido in modo che i componenti si mescolino e interagiscano e poi un periodo secco in modo che l’acqua venga rimossa e questi componenti possano formare un polimero”, dice Mulkidjanian. Non c’è modo che questo tipo di cosa accada in una bocchetta idrotermale perché non si possono avere cicli di bagnato-asciutto”, aggiunge Deamer. Il ciclo umido e secco si verifica ogni giorno nei campi idrotermali continentali. Questo permette la concentrazione dei reagenti e la polimerizzazione.

L’assunzione che la selezione naturale sia incapace in 4 miliardi di anni di trovare un miglioramento penso sia folle

Deamer ha cercato di creare le sue protocellule in laboratorio – mescolando lipidi e componenti RNA adenosina monofosfato e uridina monofosfato. Quando vengono asciugati, i lipidi si auto-assemblano in strutture simili alle membrane, e se i nucleotidi sono intrappolati tra gli strati lipidici subiranno l’esterificazione per produrre polimeri simili all’RNA. Su più cicli bagnato-asciutto la resa aumenta fino al 50%.6

Deamer ha confermato la presenza di questi polimeri all’interno delle ‘protocellule’ con tecniche di sequenziamento diretto dell’RNA. Abbiamo davvero molecole a filamento singolo che sono nella gamma di dimensioni dell’RNA biologico”, ma Deamer avverte che non si tratta di RNA come in un organismo biologico. Ha creato una miscela di RNA, alcuni con gruppi fosfato legati come sono in natura, ma alcuni legati “innaturalmente”, che conclude poi “devono essere stati soggetti a selezione ed evoluzione in queste piccole protocellule”.

Ma il campo delle bocche idrotermali di mare profondo non è ancora pronto a gettare la spugna. Barge dice che l’ambiente dello sfiato potrebbe consentire la concentrazione dei reagenti e le reazioni di condensazione. Si hanno gel in tutto il fondo marino, si hanno minerali che assorbono le cose e nella membrana stessa ci sono gel, quindi si possono avere condizioni di reazione disidratanti anche se l’intero sistema è acquoso.”

Lane respinge anche l’idea che i livelli di ioni potassio o sodio potrebbero fissare i futuri processi metabolici. L’assunzione che la selezione naturale sia incapace in 4 miliardi di anni di trovare un miglioramento penso sia folle”, spiega Lane. A mio parere, la selezione guida l’equilibrio ionico intracellulare”. Pensa che la vita sarebbe stata abbastanza capace di evolversi in un ambiente ricco di sodio e nel tempo sviluppare le pompe di rimozione degli ioni che creano le attuali cellule ricche di potassio.

Vedere la luce

Un altro punto di discussione è la presenza o assenza di luce ultravioletta (UV). Questa potrebbe essere una forte influenza in uno scenario di origine terrestre senza strato protettivo di ozono sulla terra primitiva, ma completamente assente nella teoria del mare profondo. La relativa stabilità ai raggi UV dei nucleotidi dell’RNA suggerisce che la selezione sia avvenuta alla luce UV – sulla superficie terrestre e non nel mare.

Questo supporterebbe anche la rivoluzionaria sintesi dell’RNA proposta nel 20097 da John Sutherland del Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology di Cambridge e la sua sintesi suggerita nel 2015 dei precursori dell’acido nucleico partendo solo da acido cianidrico (HCN), solfuro di idrogeno (H2S) e luce UV.8 L’illuminazione con luce UV per 10 giorni ha arricchito le rese dei nucleotidi biologici, aggiungendo peso alla loro selezione essendo avvantaggiati alla luce UV. Mulkidjanian ha anche suggerito che i precipitati di solfuro di zinco potrebbero aver agito come catalizzatori per la riduzione dell’anidride carbonica usando la luce UV – una prima forma di fotosintesi che lui chiama lo scenario “mondo di zinco”

Ma secondo Lane, “C’è un grosso problema con la vita che si evolve con la luce UV, cioè nessuna vita oggi usa UV come fonte di energia – tende a distruggere le molecole piuttosto che promuovere la biochimica”. Egli sostiene anche che la chimica sintetica proposta in tale schema terrestre semplicemente non assomiglia alla vita come noi la conosciamo. Si inizia con i cianuri o con la fotosintesi del solfuro di zinco e si finisce con una specie di chimica Frankenstein”, dice Lane. ‘La chimica potrebbe funzionare, ma unirla alla vita come la conosciamo, direi che è al limite dell’impossibile’

Divisione disciplinare

Guardando più da vicino, la divisione tra coloro che sostengono un’origine terrestre e quelli che sostengono un’origine oceanica è divisa tra le discipline. I chimici sintetici sono generalmente a favore di un’origine continentale e i geologi e i biologi per lo più delle bocche idrotermali di profondità. I chimici sostengono che è impossibile fare la chimica nelle bocche idrotermali, mentre i biologi sostengono che la chimica terrestre proposta semplicemente non assomiglia a nulla di quello che si vede in biochimica e non riduce il divario tra geochimica e biochimica.

C’è quindi un modo per unire le discipline? Al momento non c’è molto terreno comune tra queste idee”, dice Lane. Deamer è d’accordo. A questo punto, tutto quello che possiamo dire è che tutti hanno il diritto di dare un giudizio di plausibilità sulla base delle loro idee, ma poi devono anche fare prove sperimentali e osservative.’

I problemi più piccoli saranno risolvibili – questo è quello che mi fa alzare dal letto la mattina

Quello che serve è quel pezzo killer di prova o esperimento che potrebbe unire i puntini e spiegare come e dove la vita è iniziata da un mondo prebiotico. Sarebbe davvero un grande passo avanti se riuscissimo a trovare un ribozima tra tutti questi trilioni di polimeri casuali che stiamo creando”, suggerisce Deamer. I ribozimi sono catalizzatori dell’RNA che fanno parte del macchinario di sintesi delle proteine della cellula, ma sono candidati per le prime molecole auto-replicanti.

Ulteriori prove a sostegno delle origini della vita nelle bocche idrotermali del mare profondo si concentrano nel mostrare una serie plausibile di passi metabolici che portano a molecole complesse. Al JPL, stanno guardando come gli aminoacidi si comportano nei loro giardini chimici, secondo Barge. Stiamo lavorando per fare un aminoacido e poi vedere se si blocca nei camini e se è possibile concentrarli e forse fare dei peptidi.”

“Ci sono problemi e difficoltà”, riconosce Lane. Possiamo davvero far reagire l’anidride carbonica con l’idrogeno per creare molecole più complesse come gli aminoacidi e i nucleotidi? Sono abbastanza sicuro che possiamo farlo, ma sono consapevole che non lo abbiamo ancora dimostrato”. Altre domande difficili includono se le membrane lipidiche possono essere stabilizzate in acqua di mare con le sue alte concentrazioni di ioni calcio e magnesio. Ma dice Lane il grande problema della forza motrice termodinamica è risolto dalle bocche idrotermali. Il che mi dà fiducia che anche i problemi più piccoli saranno risolvibili in quel contesto, anche se ora sembrano difficili – questo è ciò che mi fa alzare dal letto la mattina.”

C’è naturalmente un’altra possibilità – che la vita non sia iniziata sulla terra. La panspermia – la teoria che la vita sia stata seminata dallo spazio, sembra eccentrica, ma non tutti la escludono. Si può sostenere che la vita sia iniziata su Marte”, secondo Deamer, perché è stato il primo a raffreddarsi a temperature tali da supportare la vita.

Che sia così o no, la vita altrove è certamente possibile. La luna di Giove Europa e la luna di Saturno Encelado sono candidate perché entrambe hanno oceani sotto gusci di ghiaccio. Nei prossimi cinque anni, la Nasa sta progettando di inviare una sonda spaziale su entrambe queste lune per cercare segni di vita. Capire la nostra storia di origine potrebbe aiutarci a capire dove cercare.

1 M J Russell, R M Daniel e A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin e M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel e D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland and J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

Questo articolo è riprodotto con il permesso di Chemistry World. L’articolo è stato pubblicato per la prima volta il 16 aprile 2017.