Aria, acqua e roccia erano le uniche materie

prime presenti sulla Terra primordiale.

I primi esseri viventi devono essere stati

costruiti a partire da queste semplici

risorse. Nuovi esperimenti indicano che

certi minerali potrebbero aver avuto un ruolo

essenziale in questo evento straordinario.

N

on si sa come la vita si formò sulla giovane, desolata Terra, ma

una cosa è certa: la sua origine fu un evento chimico. Dopo la

formazione del nostro pianeta, 4,5 miliardi di anni fa, la sua su-

perficie venne periodicamente devastata e resa sterile da im-

patti meteoritici per altri 500 milioni di anni. Eppure, poche

centinaia di milioni di anni dopo quell'era infernale, sappiamo

che apparvero in abbondanza i primi microrganismi. Quindi,

l'essere vivente primordiale deve essere stato « costruito» in qualche momen-

to di questo periodo, a partire da aria, acqua e roccia. Di questi tre ingredienti,

l'atmosfera e gli oceani hanno a lungo svolto il ruolo di protagonisti nelle teorie

sull'origine della vita, mentre le rocce - e i minerali di cui sono costituite - hanno

ricevuto l'attenzione che si riserva alle semplici comparse. Gli scienziati inizia-

no ora a capire che questa dimenticanza è un errore. In effetti, una serie di affa-

scinanti esperimenti sta rivelando che i minerali svolgono una parte cruciale

nelle reazioni chimiche basilari da cui deve avere avuto origine la vita.

61

DALL

RoccE

6 0

di Robert M. Hazen

fotografie di Robert Lewis

FELDSPATO:

protegge le molecole in formazione.

Nelle primissime fasi della storia dellavita devono essere comparsi aggregati dimolecole a base di carbonio, in grado disintetizzare copie di se stesse. Ma rag-giungere anche questo stadio rudimenta-le dell'evoluzione richiese tutta una seriedi trasformazioni chimiche, ognuna dellequali aggiunse via via struttura e com-plessità a un gruppo di molecole organi-che. I più abbondanti composti del carbo-nio disponibili sulla Terra primordialeerano il biossido di carbonio e il metano,ciascuno dei quali contiene un solo ato-mo di carbonio per molecola. Ma i com-ponenti essenziali degli organismi viventi- glucidi ricchi di energia, lipidi capaci diformare membrane e amminoacidi com-plessi - ne hanno una decina o più permolecola. Molti di questi composti, oltre-tutto, devono legarsi in catene polimeri-che e altre strutture molecolari per potersvolgere le loro attività biochimiche.

Convertire piccole molecole in grandi ecomplesse strutture deve essere stato par-ticolarmente difficile nelle estreme condi-zioni della Terra primordiale, dove l'in-tensa radiazione ultravioletta scindeva gliaggregati molecolari non appena formati.

Le molecole a base di carbonio aveva-no bisogno di una nicchia protetta e fa-vorevole per svolgere il loro ruolo; oggi siritiene che i minerali possano avere svol-to almeno cinque funzioni significative,favorendo le reazioni biochimiche. Minu-scoli computi nelle strutture dei mineralipossono ospitare semplici molecole, men-tre le loro superfici possono fornire il sup-porto affinché quelle molecole si assem-blino e crescano. Oltre a queste funzionidi protezione e supporto, le facce dei cri-stalli di certi minerali possono anche sele-zionare attivamente particolari molecole,simili ad alcune di quelle che si sarebberorivelate importanti dal punto di vista bio-logico. Gli ioni metallici di altri mineralipossono catalizzare reazioni complessecome quelle che devono aver convertitomolecole semplici in entità capaci di au-toreplicarsi. Più sorprendenti, forse, sonole recenti osservazioni che dimostranocome elementi dei minerali disciolti in ac-qua possano essere incorporati nelle mo-lecole biologiche. In altre parole, i mine-rali potrebbero non solo aver aiutato lemolecole biologiche a formarsi, ma ancheaverne fatto parte.

62

Protezione dagli elementi

Per quasi un secolo, dalla pubblicazio-ne dell'Origine delle specie di CharlesDarwin nel 1859, un nugolo di scienziatispeculò sull'origine chimica della vita. Al-cuni ebbero persino la preveggenza di in-cludere rocce e minerali nei loro fantasio-si scenari. Ma i dati sperimentali raramen-te confermavano le loro speculazioni.

Uno dei più famosi fra questi esperi-menti avvenne nel 1953 presso l'Univer-sità di Chicago. Stanley L. Miller, studen-te del chimico Harold C. Urey, tentò di si-mulare in laboratorio gli oceani e l'atmo-sfera della Terra primordiale. Miller intro-dusse metano, ammoniaca e altri gas chesi ritenevano componenti dell'atmosferaprimitiva in una beuta di vetro parzial-mente riempita di acqua. Quando sotto-pose la miscela di gas a scariche elettri-che, per simulare un temporale preistori-

co, l'acqua, dapprima limpida, divennerosa e poi marrone, arricchendosi di am-minoacidi, i mattoni costitutivi degli acidinucleici e di altre molecole organiche.Con questo semplice esperimento, Millertrasformò gli studi sull'origine della vitada speculazione filosofica a scienza speri-mentale esatta. La stampa fantasticò sullescoperte, arrivando ad affermare che nel-le provette avrebbero presto potuto ini-ziare a strisciare nuovi insetti; la comu-nità scientifica fu più moderata, ma moltiebbero l'impressione che il principaleostacolo alla creazione di vita artificialefosse stato superato.

Non ci volle molto perché si capisseche la realtà era diversa. Miller aveva for-se scoperto un modo per produrre molteimportanti molecole biologiche a partireda acqua e gas che esistevano sulla Terraprimordiale, ma non aveva certo stabilitocome o dove queste semplici unità si fos-sero legate nelle complesse strutture mo-lecolari - come proteine e DNA - indi-spensabili per la vita. Fu nel tentativo didare risposta a questa domanda che alcu-ni scienziati ipotizzarono per la primavolta un ruolo delle rocce. Essi immagi-narono che le molecole organiche chegalleggiavano nell'acqua dell'oceano po-tessero raccogliersi in basse pozze di ma-rea lungo le coste rocciose, nell'internodelle quali si sarebbero via via concentra-te attraverso ripetuti cicli di evaporazione.

In anni recenti, tuttavia, si è iniziato apensare che gli ingredienti della vita po-trebbero essersi accumulati in ambientimolto più piccoli. Alcune rocce, come lepomici vulcaniche, sono ricche di sacched'aria, formate dai gas che si sono espan-si al loro interno quando erano ancorafuse. Molti minerali comuni, come il feld-spato, formano microscopiche fenditure eincavi superficiali per esposizione agliagenti atmosferici. Ogni minuscola cavitàdi roccia presente sulla Terra primordialepotrebbe avere ospitato un esperimentodi autorganizzazione molecolare. Dispo-nendo di abbastanza tempo e di un nu-mero sufficiente di cavità, il caso potreb-be aver prodotto una combinazione dimolecole che avrebbero alla fine meritatodi essere chiamate «viventi».

Implicito in gran parte di queste ipote-si era l'assunto che la vita fosse così fra-gile da dipendere dalla protezione dellerocce. Ma nel 1977 una sensazionale sco-perta mise in dubbio le opinioni tradizio-nali sulla fragilità della vita e, forse, sullesue origini. Fino ad allora, gli scienziatiavevano dato per scontato che la vitaavesse avuto origine sulla superficie delmare o nelle sue vicinanze, come risultatodi processi chimici alimentati dall'energiasolare. Ma quando l'esplorazione delleprofondità oceaniche rivelò che ecosiste-mi diversificati fioriscono nell'ambientecaldissimo delle sorgenti calde sul fondooceanico si cominciò a pensare che questiambienti estremi - lontani dall'influssosolare - potessero aver dato origine acomplesse comunità di esseri viventi. Inquelle profondità oscure, l'energia provie-ne non dalla luce ma dal calore geotermi-co. A questo punto, alcuni ricercatori ini-ziarono a chiedersi se le reazioni organi-che indispensabili per l'origine della vitanon potessero avvenire nelle condizionidi elevata temperatura e pressione dellebocche idrotermali oceaniche.

Miller e colleghi hanno sollevato obie-zioni alla teoria delle origini idrotermali,in parte perché gli amminoacidi si de-compongono rapidamente quando sonoriscaldati. Ma questa obiezione, si scopri,può essere rilevante solo quando alcuniminerali chiave sono lasciati fuori dall'e-quazione. L'idea che i minerali abbianoprotetto gli ingredienti della vita ha rice-vuto supporto da recenti esperimenti con-dotti nel mio laboratorio, il GeophysicalLaboratory della Carnegie Institution diWashington. Qui Jay A. Brandes (ora alMarine Sciences Institute dell'Universitàdel Texas a Port Aransas) ipotizzò chefossero alcuni minerali a far sì che i deli-cati amminoacidi rimanessero intatti. Nel1998 conducemmo un esperimento in cuila leucina si degradò entro pochi minutiin acqua pressurizzata a 200 gradi Cel-

LE SCIENZE 392/ aprile 2001

sius, proprio come Miller e colleghi ave-vano previsto. Ma quando Brandes ag-giunse alla miscela di reazione un mine-rale di solfuro di ferro del tipo comune-mente presente nelle bocche idrotermali,allora l'amminoacido si conservò inalte-rato per giorni: un tempo più che suffi-ciente per reagire con altre molecole.

Una roccia su cui stareAnche se le adatte materie prime si tro-

vavano in un luogo protetto - che fosseuna pozza di marea, una microscopicacavità della superficie di un minerale ol'imboccatura di una sorgente calda sulfondo del mare - le singole molecole era-no comunque sospese nell'acqua. Questemolecole disperse avevano bisogno diqualche tipo di supporto a cui aderire perpoter reagire le une con le altre.

Un semplice modo per assemblare mo-

lecole da una soluzione diluita è concen-trarle su una superficie piatta. Le moleco-le disperse potrebbero essersi raccolte sul-la calma superficie di una pozza di marea,o forse in una primordiale «chiazza oleo-sa» di composti intrappolati sulla superfi-cie dell'acqua. Ma questi ambienti avreb-bero presentato un rischio potenzialmen-te fatale per le delicate molecole. Fortitemporali, con i relativi fulmini, e la ra-diazione ultravioletta sferzavano la gio-vane Terra in misura molte volte superio-re a oggi. Simili condizioni avrebberospezzato i legami delle complesse catenemolecolari non appena si fossero formatio quasi.

Fra gli scienziati che studiano l'originedella vita, quelli con un debole per lageologia hanno capito da tempo che lerocce costituiscono una adeguata superfi-cie alternativa dove le molecole possonoconcentrarsi e assemblarsi. Mezzo secolo

fa alcuni studiosi iniziarono a ipotizzareche le argille abbiano una speciale affi-nità per le molecole organiche. Questi co-munissimi minerali spesso appaiono vi-scidi quando sono bagnati perché i loroatomi formano strati planari e lisci. La su-perficie di questi strati è spesso caricaelettricamente e quindi potrebbe essere ingrado di attrarre e trattenere le molecoleorganiche. In effetti, alla fine degli annisettanta un gruppo di ricerca israelianodimostrò che gli amminoacidi possonoconcentrarsi su superfici di argilla e poiunirsi in brevi catene che assomiglianoalle proteine. Queste reazioni chimicheavvennero quando i ricercatori feceroevaporare una soluzione acquosa conte-nente amminoacidi da una vasca rivestitadi argilla: una situazione non dissimiledall'evaporazione di uno stagno pocoprofondo o di una pozza di marea con ilfondo fangoso.

Più di recente, gruppi di ricerca guidatida James P. Ferris del Rensselaer Poly-technic Institute e da Gustaf Arrheniusdella Scripps Institution of Oceanographyhanno dimostrato, indipendentemente l'u-no dall'altro, la capacità dell'argilla e dialtri minerali lamellari di attrarre e assem-blare una varietà di molecole organiche.In un tour de force di esperimenti svoltinell'ultimo decennio, il gruppo di Ferris hascoperto che le argille possono fare dasupporto per gli elementi costitutivi del-FRNA, la molecola che traduce in proteinele istruzioni genetiche degli organismi.

Trattamento preferenzialeUna volta fissate le molecole organiche

a un supporto minerale, si sarebbero po-tuti sintetizzare molti tipi di molecole piùcomplesse; solo alcune di queste peròvennero poi incorporate nelle cellule vi-venti. Ciò significa che qualche meccani-smo deve aver selezionato le molecoleprimitive che sarebbero poi diventate im-portanti. Gli esperimenti stanno dimo-strando che, ancora una volta, i mineralipotrebbero aver avuto un ruolo centralein questo processo.

Forse il più misterioso fra gli episodi diselezione è responsabile del fatto che intutti gli organismi viventi si osserva unastrana predominanza di un tipo di ammi-noacido. Come molte molecole organiche,gli amminoacidi si presentano in due for-me, che contengono gli stessi atomi masono immagini speculari l'una dell'altra.Il fenomeno è chiamato chiralità, e le dueversioni sono denominate destrorsa (D) esinistrorsa (L). Gli esperimenti di sintesiorganica come quelli di Miller invariabil-mente producono miscele in parti ugualidi molecole D e L, ma la frazione di am-minoacidi sinistrorsi negli organismi vi-

63

Ogni piccola cavità presentesulle rocce della Terra primordiale

potrebbe aver ospitato un esperimento

www.lescienze.it 65

venti è di quasi il 100 per cento.Sono state proposte numerose teorie -

da quelle relativamente banali alle piùfantasiose - per spiegare questa bizzarracircostanza. Alcuni astrofisici hanno ipo-tizzato, per esempio, che la Terra possaavere avuto fin dalla sua formazione unlieve eccesso di amminoacidi L, in conse-guenza di processi avvenuti nella nube dipolvere e gas dalla quale ebbe origine ilsistema solare. Il problema principale diquesta teoria è che simili processi portanosolo a un piccolo eccesso - meno dell'Iper cento - di molecole sinistrorse.

In alternativa, la miscela iniziale pote-va comprendere amminoacidi sinistrorsi edestrorsi in parti uguali, ma qualche im-portante caratteristica dell'ambiente fisicopuò poi aver selezionato una versione ri-spetto all'altra. Secondo me, i candidatipiù ovvi a rappresentare questo ambientefisico specializzato sono le facce dei cri-stalli le cui strutture superficiali sono im-magini speculari le une delle altre. Loscorso anno ho concentrato le mie ricer-che sulla calcite, il comune minerale checostituisce calcari e marmi, in parte per-ché spesso i suoi cristalli formano magni-fiche coppie di facce speculari. Sapevoanche che la struttura chimica della calci-te in molti gusci di molluschi è legata for-temente ad alcuni amminocidi. Cominciaiquindi a chiedermi se le superfici dei cri-stalli di calcite possano avere siti di lega-me chimico adatti solo a uno dei due tipidi amminoacido. Con l'aiuto del mio col-lega Timothy Filley (ora alla Purdue Uni-versity) e del geochimico Glenn Good-friend della George Washington Univer-sity, ho condotto centinaia di verifiche diquesta ipotesi.

I nostri esperimenti erano concettual-mente semplici, sebbene richiedesseroscrupolose precauzioni per evitare la con-taminazione da parte degli amminoacidiche esistono ovunque nell'ambiente. Im-mergevamo un cristallo di calcite benformato, delle dimensioni di un pugno, inuna soluzione contenente parti ugualidelle due forme chirali di acido aspartico,un comune amminoacido. Dopo 24 orerimuovevamo il cristallo dalla soluzione,lo lavavamo in acqua e raccoglievamoattentamente tutte le molecole che aveva-no aderito a specifiche facce. Regolar-mente osservavamo che le facce «sini-strorse» della calcite selezionavano am-minoacidi L e viceversa, con eccessi chein taluni esperimenti si avvicinavano al40 per cento.

Stranamente, le facce di calcite con su-perfici finemente «terrazzate» erano quel-le più selettive. Questo fatto ci condusse aprevedere che i bordi delle «terrazze» po-tessero costringere gli amminoacidi L e Dad allinearsi in file ordinate sulle loro ti-

LE SCIENZE 392 / aprile 200164

MUSCOVITE:

serve da impalcatura

per le molecole in accrescimento.

IL POTERE DEI CRISTALLI

N

ulla potrebbe essere più inanimato di una roccia. Perciò, in

che modo le rocce -o meglio, i minerali che le costituiscono-

possono aver contribuito alla comparsa della vita? La risposta sta

nella chimica. I minerali si accrescono, da semplici molecole a

strutture ordinate, grazie a reazioni chimiche.

Analogamente, tutti gli organismi - dai batteri ai mammiferi -

devono la loro capacità di svilupparsi e di vivere alle centinaia di

reazioni chimiche che avvengono nelle cellule.

Quattro miliardi di anni fa, non c'era vita sulla Terra: la chimica,

e non la biologia, ha trasformato il nostro pianeta. A quell'epoca i

minerali-insieme con gli oceani e l'atmosfera - erano le sole

materie prime disponibili. I primi passi della vita furono dunque

reazioni chimiche. Una serie di trasformazioni chimiche può aver

riconfigurato i componenti più semplici di aria, acqua e roccia in

aggregati primitivi di molecole a base di carbonio capaci di copiare

se stesse. Gli esperimenti rivelano che simili trasformazioni non

sarebbero forse state possibili senza i minerali, che agirono come

contenitori, impalcature, stampi, catalizzatori e reagenti.

AMMINOACIDO«DESTRORSO»

AMMINOACIDO«SINISTRORSO»

CRISTALLO

DI CALCITE

k

STAMPI: I cristalli di calcite tendono ad attrarre gli amminoacidi sinistrorsi e

destrorsi verso facce differenti. Questo meccanismo di separazione potrebbe

spiegare perché le molecole biologiche sono sempre sinistrorse.

4

I II I I P" a irAMMONIO

1Nip

jCONTENITORI: Microscopici incavi appaiono in gran numero sulle superfici

alterate del feldspato e di altri comuni minerali. Queste minuscole nicchie

potrebbero aver riparato dalle radiazioni i precursori molecolari della vita.

CATALIZZATORI: La magnetite, un minerale di ossido di ferro, può favorire la

combinazione di azoto e idrogeno in ammonio, il gruppo chimico

essenziale da cui le cellule viventi ottengono azoto.

ENZIMA ACONITASI

MOLECOINTRAPPO

AMMINO-ACIDO

PLICE

STRATO DI ARGILLA

IMPALCATURE: I minerali stratificati come le argille possono intrappolare

molecole organiche fra i loro rigidi strati di atomi. Così ravvicinate, molte

molecole semplici possono reagire e formare composti più complessi.

REAGENTI: Ferro e zolfo, gli elementi che costituiscono il centro attivo

di alcuni enzimi come l'aconitasi, possono essere liberati per dissoluzione

dai minerali di solfuro di zolfo in condizioni estreme di calore e pressione.

• I primi esperimenti che hanno cercato di dimostrare la possibile origine chimica

della vita risalgono al 1953. Stanley L. Miller e Harold C. Urey sono riusciti a ottenere

semplici amminoacidi sottoponendo una miscela acquosa di metano, ammoniaca e

altri gas a scariche elettriche. Ma il passaggio da questi mattoni costitutivi a

complesse strutture come proteine e DNA richiede ben altro.

• Nel 197? si è scoperto che le calde sorgenti idrotermali dei fondali oceanici, ricche

di minerali, ospitano complesse comunità di batteri. La vita dunque ha soprattutto

bisogno di un ambiente protetto e di minerali e non teme necessariamente le alte

temperature.

• Ci si è chiesti perciò se la superficie delle rocce offra un supporto adeguato su cui le

molecole possono assemblarsi e dare origine a strutture più complesse. Per

dimostrarlo vari ricercatori, compreso l'autore, hanno sviluppato una serie di

esperimenti volti a individuare i minerali più adatti a fare da substrato e catalizzatore

per le molecole biologiche. In effetti si sono ottenuti interessanti risultati come

molecole a 10 atomi di carbonio e composti organometallici. Una prima importante

conferma del ruolo dei minerali nello sviluppo di molecole capaci di autoreplicarsi.

CALCITE:

seleziona le forme specularidelle molecole.

6 6

41",

E se la vita fosse arrivata dallo spazio?

O

ltre alle teorie che cercano di spiegare l'origine della vita

facendo ricorso a ciò che si trova sul nostro pianeta, ce ne è

anche una che invece sostiene che siamo letteralmente figli

delle stelle, la panspermia (spore ovunque). Secondo la

panspermia, la vita non si sarebbe formata sulla Terra, ma vi

sarebbe arrivata dallo spazio a bordo di comete e meteoriti,

sotto forma di spore di origine ignota. Questa idea ebbe un

grande sviluppo in seguito alla scoperta del gran numero di

molecole organiche presenti nelle nubi molecolari di cui è

disseminata la Galassia e da cui hanno origine le stelle e i

pianeti.

Uno dei più forti argomenti contro la panspermia deriva

dall'estrema delicatezza dei composti organici, che vengono

facilmente spezzati dal calore. Come avrebbero fatto queste

molecole a resistere al calore dell'ingresso nella nostra

atmosfera? Qualche mese fa però questo problema è stato

risolto. Alcuni ricercatori del California lnstitute of Technology

hanno analizzato il famoso meteorite ALH8401, quello dei fossili

marziani, per cercare di capire a quali temperature fosse stato

sottoposto durante il suo viaggio. Gli scienziati hanno scaldato

alcuni frammenti di meteorite per vedere a quale temperatura

perdevano certe proprietà magnetiche. Si è visto così che,

nonostante l'esplosione che lo ha espulso da Marte e l'ingresso

nella nostra atmosfera, il cuore del meteorite non ha mai

superato i 40 gradi Celsius, una temperatura ben tollerata dai

composti organici.

La seconda opposizione alla panspermia derivava invece

dalla presunta semplicità della chimica delle nubi molecolari,

che non avrebbe permesso la formazione dei composti

complessi che caratterizzano la vita. Di recente, però, un

esperimento condotto presso l'Ames Research Center della NASA

da Lou Allamandola ha provato il contrario. Nell'esperimento,

alcune molecole tipicamente presenti nelle nubi molecolari,

come l'ammoniaca, l'anidride carbonica e il metanolo, sono state

raffreddate fino a una temperatura di 10 kelvin in condizioni di

ultravuoto. L'idea era quella di ricreare le condizioni presenti

all'interno di queste nubi, per capire quali composti possano

nascondersi nei ghiacci delle comete. La nube di laboratorio è

stata poi illuminata con raggi ultravioletti, che sono

normalmente abbondanti nello spazio. Poiché è noto che nei

ghiacci sottoposti a raggi ultravioletti avvengono reazioni

chimiche, ci si aspettava di trovare qualche composto nuovo, ma

i risultati sono andati ben oltre. L'analisi chimica ha infatti

mostrato centinaia di nuove molecole organiche, in alcuni casi

anche estremamente complicate; ma la sorpresa più grande si è

avuta quando il materiale prodotto nell'esperimento è stato

disciolto in semplice acqua. Si è infatti osservata

immediatamente la formazione di una schiuma costituita da

membrane molto simili a quelle delle cellule. La formazione di

membrane è ritenuta uno dei passi fondamentali dell'evoluzione

della vita, poiché la delicata chimica biologica deve avere trovato

molto presto il modo di proteggersi dall'ambiente ostile esterno,

rinchiudendosi appunto in una membrana e formando le prime

cellule. Il brodo organico formatosi negli esperimenti ha però

riservato ancora una sorpresa. Fra le molecole presenti ve ne

erano infatti alcune molto simili alla clorofilla, come dimostra il

fatto che erano capaci di un rudimentale utilizzo dell'energia

solare e che sono state subito inglobate dalle membrane.

Ovviamente, questo non significa automaticamente che la vita

sia arrivata dallo spazio, né che essa possa o debba esistere su

qualsiasi pianeta dotato di condizioni favorevoli. È però vero che

almeno uno dei passaggi necessari che hanno portato dalle

sostanze inanimate presenti sulla Terra fino alle prime cellule

potrebbe effettivamente essere stato aiutato da composti di

origine extraterrestre. Siamo sì figli delle stelle, ma non del tutto.

ALDO CONTI

UNA FOTOGRAFIA DELLE MEMBRANE formatesi nel corso dell'esperimento

alla NASA. Come si vede, la maggior parte si è richiusa in strutture

sferiche, chiamate vescicole, molto simili in apparenza a cellule viventi.

spettive facce. Nelle adatte condizioniambientali, queste file organizzate di am-minoacidi potrebbero legarsi chimica-mente a formare molecole simili a protei-ne: alcune composte interamente di am-minoacidi L, e altre di D. Se realmente siformassero proteine, questo risultato sa-rebbe entusiasmante, perché recenti espe-rimenti condotti da altri studiosi indicanoche certe proteine possono autoreplicarsi.Nelle prime fasi della storia della Terra,forse una proteina autoreplicante potreb-be essersi formata su una faccia di un cri-stallo di calcite.

Le facce di cristalli sinistrorse e de-strorse si trovano in numero più o menouguale, sicché la selezione chirale proba-bilmente non avvenne ovunque allo stes-so tempo. I nostri risultati implicano in-vece che il primo gruppo di molecole au-toreplicanti - i precursori di tutte le formedi vita che vediamo oggi sulla Terra - eb-be origine in un tempo e in un luogo spe-cifici. Fu per puro caso che la molecoladestinata al successo si sia sviluppata suuna faccia cristallina che «preferiva» gliamminoacidi sinistrorsi rispetto alla lorocontroparte destrorsa.

Entrando nel vivo

Certi minerali potrebbero senza dubbioavere agito come contenitori, impalcaturee stampi, e quindi aver contribuito a sele-zionare e organizzare la miriade di mole-cole presenti sulla Terra primordiale. Ma i

LE SCIENZE 392 / aprile 2001

minerali potrebbero aver svolto un ruolomolto più attivo, catalizzando certe rea-zioni di sintesi che accrebbero l'inventa-rio primordiale di molecole biologichecomplesse.

Alcuni esperimenti eseguiti da Brandesnel 1997 illustrano questa possibilità. Perle reazioni biologiche, l'azoto deve esserein forma ammoniacale, ma l'unico com-posto dell'azoto che si ritiene fosse comu-ne sulla Terra primordiale è l'azoto mole-colare. Brandes suppose che forse nel-l'ambiente delle bocche idrotermali delfondo oceanico possa avvenire qualcosadi simile al processo industriale in cuiviene sintetizzata ammoniaca facendoscorrere azoto e idrogeno su una superfi-cie metallica riscaldata. E infatti, quandosottoponemmo azoto, idrogeno e magne-tite (un ossido di ferro) alle temperature epressioni estreme caratteristiche di unasorgente calda del fondo oceanico, il mi-nerale catalizzò la sintesi di ammoniaca.

L'idea che i minerali possano aver ca-talizzato i primi passi importanti della vi-ta è stata espressa con particolare convin-zione dal chimico Gunter Waatershdu-ser, il quale, nel 1988, propose una teoriadell'evoluzione organica in cui i minerali- principalmente solfuri di ferro e nichel,che abbondano nelle bocche idrotermalioceaniche - potrebbero aver funzionato

www.lescienze.it

come stampi, catalizzatori e fonti di ener-gia per la formazione di molecole biolo-giche. Anzi, Wachtershàuser ha propostoche gli esseri viventi più primitivi fosseronient'altro che strati molecolari che aderi-vano alle superfici cariche positivamentedella pirite, un minerale di ferro e zolfo.Questi esseri ottenevano energia dallestesse reazioni chimiche che produconola pirite. Questa ipotesi ha senso ancheperché gli enzimi metabolici - le molecoleche aiutano le cellule viventi a sfruttarel'energia - hanno nel loro nucleo gruppidi atomi metallici e di zolfo.

Per gran parte degli ultimi tre anni, laprovocatoria teoria di Wàchtershauser hainfluenzato i nostri esperimenti alla Car-negie Institution. Ci siamo concentratisulla possibilità che il metabolismo possaprocedere senza enzimi in presenza diminerali, e specialmente di ossidi e solfu-ri. La nostra semplice strategia, nello spi-rito dell'esperimento originale di Miller, èstata quella di introdurre ingredienti checertamente erano disponibili sulla Terraprimordiale - acqua, biossido di carbonioe minerali - in un ambiente controllato.Nel nostro caso, tentiamo di riprodurre leintense pressioni e le temperature eleva-tissime tipiche di una bocca idrotermaleoceanica. La maggior parte dei nostriesperimenti si svolge con i reagenti con-

tenuti in capsule sigillate d'oro, che han-no all'incirca la dimensione di una pillola.Mettiamo fino a sei capsule nella «bom-ba»: un massiccio reattore pressurizzatodi acciaio in grado di portarle a una pres-sione vicina a 2000 atmosfere e a unatemperatura di circa 250 gradi Celsius.

Uno degli obiettivi principali di questiesperimenti di sintesi organica - e unadelle reazioni biochimiche fondamentali -è la fissazione del carbonio: il processocon cui si producono molecole con unnumero crescente di atomi di carbonionella loro struttura chimica. Queste rea-zioni seguono due cammini differenti aseconda del minerale usato. Molti mine-rali comuni, fra cui la maggior parte degliossidi e dei solfuri di ferro, rame e zinco,promuovono l'addizione del carbonio tra-mite un processo usato anche nell'indu-stria, la sintesi di Fischer-Tropsch (F-T).Con questa tecnica si possono otteneremolecole organiche con struttura a cate-na a partire da biossido di carbonio eidrogeno. Per prima cosa, il biossido dicarbonio e l'idrogeno reagiscono per for-mare metano, che ha un atomo di carbo-nio. Aggiungendo biossido di carbonio eidrogeno, dal metano si ottiene etano,una molecola con due atomi di carbonio;poi la reazione si ripete, addizionandoogni volta un atomo di carbonio. Nei pro-

6?

PIRITE:

alimenta le reazioni

biochimiche.

L'AUTOREROBERT M. HAZEN si occupa di mineralogia sperimentale presso il Geophysical Labora-

tory della Carnegie Institution di Washington, dove insegna anche scienze della Terra.

Ha compiuto gli studi superiori presso il Massachusetts Institute of Technology e si è

laureato in scienze della Terra alla Harvard University. Ha scritto numerosi articoli e libri

su scienza, didattica, storia e musica.

BIBLIOGRAFIA

WACHTERSHAUSER GUNTER, Groundwork for an Evolutionary Biochemistry: The Iron-Sulphur World in « Progress in Biophysics and Molecular Biology » , 58, 1990.

MOROWITZ HAROLDJ., Beginnings of Cellular Life, Yale University Press, 1992.

DEAMER DAVID W. e FLEISCHAKER GAIL R., Origins of Life: The Centra/ Concepts, Jones

and Bartlett, 1994.

HOLLAND JOHN H., Emergence: From Chaos to Order, Helix Books, 1998.

LAHAV NOAM, Biogenesis: Theories of Life's Origin, Oxford University Press, 1999.

/A/ z

LETTRES SCIENCES

/.<7//////7, ECOLE NORMALE SUPERIEURE

Finanziamento

di 4 anni di studio

ECOLE NORMALE SUPERIEURE (ENS)

Concorso

ENS-Europa 2001

L'Ecole Normale Supérieure apre un nuo-

vo concorso di reclutamento per i mi-

gliori studenti europei minori di 23 anni,

attualmente iscritti al 2° o al 3° anno d'u-

niversità, nelle materie scientifiche. Il su-

peramento del concorso dà diritto a 4 an-

ni di studio finanziati (circa 13850 Eu-

ros/anno) a cominciare dal settembre

2001.1 corsi di studio, personalizzati, ini-

zieranno in Parigi e potranno poi prose-

guire in altre università, francesi o este-

re. I diplomi universitari conseguiti per-

metteranno di ottenere equipollenze con

i diplomi del paese d'origine del candi-

dato. Dopo i quattro anni di studio, gli

studenti che avranno intrapreso un dot-

torato di ricerca potranno ottenere una

borsa di studio per completarlo.

L'Ecole Normale Supérieure ha una sto-

ria ed una struttura analoghe a quelle del-

la Scuola Normale Superiore di Pisa. Fon-

data durante la rivoluzione francese, si-

tuata nel centro di Parigi, si annovera tra

i più prestigiosi istituti universitari fran-

cesi. Essa accoglie ogni anno 200 nuovi

studenti, che vi accedono attraverso dif-

ferenti concorsi.

• Iscrizioni fino al 30 aprile 2001 •

Informazioni

Concours ENS-Europa

45 rue d'Ulm 75230 Paris cedex 05

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concours-ens-europe©ens.fr

MAGNETITE:

dà il via alle reazionibiochimiche.

cessi industriali si utilizza questa reazioneper costruire molecole contenenti un nu-mero qualsivoglia di atomi di carbonio. Inostri primi esperimenti del 1996, e ricer-che molto più approfondite condotte daThomas McCollom della Woods HoleOceanographic Institution, dimostranoche è possibile sintetizzare in meno di ungiorno molecole con 30 e più atomi dicarbonio in condizioni simili alle sorgenticalde oceaniche. Se la sintesi F-T può co-struire oggi grandi molecole organiche dasemplici composti inorganici nelle sor-genti idrotermali, allora è molto probabi-le che lo abbia fatto anche nel passatoprebiologico del pianeta.

Quando invece usiamo solfuri di nichelo di cobalto, osserviamo che l'aggiunta dicarbonio avviene principalmente per car-bonilazione: l'inserimento di un gruppocarbonile, costituito da un atomo di car-bonio e uno di ossigeno. I gruppi carbo-nile si legano facilmente agli atomi di ni-chel o di cobalto, ma il legame non è cosìforte da impedire che essi possano legarsiad altre molecole per formare strutturepiù grandi. In una serie di esperimenti ab-biamo osservato l'allungamento di unamolecola di nonanetiolo, con 9 atomi dicarbonio, a formare acido decanoico, a 10atomi di carbonio, un composto simileagli acidi organici che alimentano le rea-zioni metaboliche nelle cellule viventi.Per di più tutti i reagenti di questo esperi-mento - un tiolo, monossido di carbonioe acqua - sono facilmente disponibili neipressi delle bocche idrotermali ricche disolfuri. Ripetendo questi semplici tipi direazioni - aggiungendo un gruppo carbo-nile qui o un gruppo ossidrile là - possia-mo sintetizzare una ricca varietà di mole-cole organiche complesse.

Il punto della questioneI nostri 1500 (e oltre) esperimenti di

sintesi organica idrotermale alla Carne-gie Institution non si sono limitati adaumentare il catalogo delle molecole chepossono essere state prodotte sulla Terraprimordiale. Questi lavori rivelano ancheun altro e più complesso comportamen-to dei minerali, che può aver avuto im-portanti conseguenze per la chimica del-la vita. La maggior parte degli studi pre-cedenti sull'origine della vita ha trattatoi minerali come piattaforme stabili dovele molecole organiche possono incon-trarsi e reagire. Noi invece abbiamo os-servato che, in presenza di acqua caldaad alta pressione, i minerali iniziano adissolversi e i loro costituenti così libera-ti diventano reagenti fondamentali delbrodo primordiale.

Abbiamo scoperto inaspettatamenteche i minerali possono fungere da rea-

genti nel corso di una recente serie diesperimenti di catalisi in cui l'acido deca-noico veniva formato a partire da mole-cole semplici nelle nostre capsule d'oro ri-scaldate e pressurizzate. Prevedevamoche le reazioni di carbonilazione generas-sero questo composto, ma abbiamo ri-scontrato anche quantità significative dizolfo elementare, solfuri organici, metil-tiolo e altri composti dello zolfo; in tutti iprodotti, questo elemento deve essere sta-to liberato dal solfuro di ferro.

Ancora più sorprendente è stata la rea-zione del ferro, che ha colorato vivace-mente la soluzione contenuta nelle cap-sule formando complessi organici di colorrosso e arancione nei quali gli atomi diferro sono circondati da varie molecoleorganiche. Stiamo cercando di stabilire in

che misura questi complessi potenzial-mente reattivi potrebbero agire come en-zimi e promuovere la sintesi di strutturemolecolari.

Il ruolo dei minerali come ingredientiessenziali della vita non è completamenteinatteso. È ben noto che i liquidi idroter-mali dissolvono e concentrano i minerali.Presso le sorgenti calde del fondo marino,spettacolari pilastri di solfuri crescono fi-no ad altezze di qualche metro via viache i pennacchi di acqua calda e ricca diminerali risalgono da sotto il fondo, en-trano in contatto con le fredde acque del-le profondità oceaniche, e depositanostrati di minerali sulle colonne in crescita.Ma il ruolo di questi ingredienti discioltinon è ancora stato integrato negli scenarisull'origine della vita, né si conoscono le

proprietà chimiche dei nostri nuovi com-posti organometallici. Quale che sia il lo-ro comportamento, i minerali discioltisembrano rendere la situazione molto piùinteressante.

L'origine della vita fu di gran lungatroppo complessa per immaginarla comeun singolo evento. Dobbiamo piuttostopartire dall'assunto che una sequenzagraduale di passi modesti abbia via viaaggiunto ordine e complessità al mondodelle molecole prebiologiche. Il primopasso deve essere stato la sintesi dei mat-toni fondamentali. Mezzo secolo di ricer-che dimostra che le molecole della vitavennero prodotte in abbondanza, nellanebulosa da cui ebbe origine il sistemasolare, sulla superficie dell'oceano in pro-cessi simili a quello scoperto da Miller enelle sorgenti idrotermali tramite reazionimediate dai minerali. L'antica Terra gode-va di firt troppe ricchezze: una varietà dimolecole biologiche molto superiore aquanto potesse effettivamente servire peri processi biologici.

I minerali contribuirono a far ordine inquesto caos. Prima confinando e concen-trando le molecole, poi selezionandole eorganizzandole, potrebbero aver dato ilvia ai primi sistemi molecolari autorepli-canti. Simili sistemi non sarebbero stati«viventi» nel vero senso del termine, maper la prima volta avrebbero potuto esibi-re una proprietà chiave della vita.

In questo scenario, un sistema moleco-lare autoreplicante avrebbe cominciato asfruttare le risorse del suo ambiente. Seuna qualche mutazione generasse varian-ti leggermente diverse, allora la competi-zione per le risorse comincerebbe ad ali-mentare il processo di selezione naturalemolecolare. I sistemi molecolari autore-plicanti comincerebbero a evolvere, di-ventando inevitabilmente più efficienti ecomplessi.

Un obiettivo a lungo termine per il no-stro lavoro alla Carnegie Institution èquello di riprodurre semplici processi chi-mici che possano condurre a un sistemaautoreplicante: forse un sistema correlatoai cicli metabolici comuni a tutte le cellu-le viventi. Gli scienziati sono molto lonta-ni dal creare la vita in laboratorio, e po-trebbe non essere mai possibile dimostra-re esattamente quale serie di trasforma-zioni chimiche diede origine alla vita sul-la Terra. Ciò che possiamo dire di sicuro èche i minerali svolsero un ruolo molto piùimportante e attivo nell'origine della vitadi quanto molti scienziati abbiano maisospettato. Accettando di attribuire ai mi-nerali un ruolo chiave nelle origini dellavita, chimici, biologi e geologi potrebberoarrivare molto più vicini a rispondere auna delle domande più annose dellascienza.

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LE SCIENZE 392 / aprile 2001

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