Cosa ha scatenato la nascita delle prime molecole organiche?

Tutta la vita sulla Terra è costituita da molecole organiche, composti fatti di atomi di carbonio legati ad atomi di altri elementi come l'idrogeno, l'azoto e l'ossigeno. Nella vita moderna, la maggior parte di queste molecole organiche ha origine dalla riduzione dell'anidride carbonica (CO 2 ) attraverso diversi percorsi di "fissazione del carbonio" (come la fotosintesi nelle piante). Ma la maggior parte di questi percorsi richiedono energia dalla cellula per funzionare, o si pensava che si fossero evoluti relativamente tardi. Allora come sono nate le prime molecole organiche, prima dell'origine della vita?

Cosa ha scatenato la nascita delle prime molecole organiche?

Processo che potrebbe aver portato alle prime molecole organiche

Una nuova ricerca guidata dal Museo Americano di Storia Naturale e finanziata dalla NASA identifica un processo che potrebbe essere stato fondamentale nella produzione delle prime molecole organiche sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa, prima dell'origine della vita. Il processo, che è simile a quello che potrebbe essere accaduto in alcune antiche prese d'aria idrotermali sottomarine, potrebbe anche avere rilevanza per la ricerca della vita altrove nell'universo. I dettagli dello studio sono pubblicati questa settimana sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .

Tutta la vita sulla Terra è costituita da molecole organiche, composti fatti di atomi di carbonio legati ad atomi di altri elementi come l'idrogeno, l'azoto e l'ossigeno. Nella vita moderna, la maggior parte di queste molecole organiche ha origine dalla riduzione dell'anidride carbonica (CO 2 ) attraverso diversi percorsi di "fissazione del carbonio" (come la fotosintesi nelle piante). Ma la maggior parte di questi percorsi richiedono energia dalla cellula per funzionare, o si pensava che si fossero evoluti relativamente tardi. Allora come sono nate le prime molecole organiche, prima dell'origine della vita?

Per affrontare questa domanda, il Museum Gerstner Scholar Victor Sojo e Reuben Hudson del College of the Atlantic nel Maine hanno ideato una nuova configurazione basata su reattori microfluidici, minuscoli laboratori autonomi che consentono agli scienziati di studiare il comportamento dei fluidi - e in questo caso , anche gas - su microscala. Le versioni precedenti del reattore hanno tentato di mescolare bolle di idrogeno gassoso e CO 2 in liquido ma non si è verificata alcuna riduzione, probabilmente perché l'idrogeno gassoso altamente volatile è sfuggito prima che avesse la possibilità di reagire. La soluzione è arrivata durante le discussioni tra Sojo e Hudson, che condividevano un banco di laboratorio presso il RIKEN Center for Sustainable Resource Science a Saitama, in Giappone. L'ultimo reattore è stato costruito nel laboratorio di Hudson nel Maine.

"Invece di gorgogliare i gas all'interno dei fluidi prima della reazione, la principale innovazione del nuovo reattore è che i fluidi sono guidati dai gas stessi, quindi ci sono pochissime possibilità per loro di sfuggire", ha detto Hudson.

I ricercatori hanno utilizzato il loro progetto per combinare l'idrogeno con la CO 2 per produrre una molecola organica chiamata acido formico (HCOOH). Questo processo sintetico assomiglia all'unico percorso di fissazione della CO 2 noto che non richiede una fornitura di energia complessiva, chiamato percorso dell'acetil-CoA Wood-Ljungdahl. A sua volta, questo processo assomiglia a reazioni che potrebbero aver avuto luogo in antiche bocche idrotermali oceaniche.

"Le conseguenze si estendono ben oltre la nostra biosfera", ha detto Sojo. "Sistemi idrotermali simili potrebbero esistere oggi altrove nel sistema solare, in modo più evidente in Encelado ed Europa - rispettivamente lune di Saturno e Giove - e così prevedibilmente in altri mondi rocciosi in tutto l'universo".

"Capire come l'anidride carbonica può essere ridotta in condizioni geologiche miti è importante per valutare la possibilità di un'origine della vita su altri mondi, che alimenta la comprensione di quanto possa essere comune o rara la vita nell'universo", ha aggiunto Laurie Barge del Jet Propulsion della NASA Laboratorio, autore dello studio.

I ricercatori hanno trasformato la CO 2 in molecole organiche utilizzando condizioni relativamente miti, il che significa che i risultati potrebbero avere rilevanza anche per la chimica ambientale. Di fronte alla crisi climatica in corso, è in corso la ricerca di nuovi metodi di riduzione della CO 2 .

"I risultati di questo articolo toccano molteplici temi: dalla comprensione delle origini del metabolismo, alla geochimica che è alla base dei cicli dell'idrogeno e del carbonio sulla Terra, e anche alle applicazioni della chimica verde, dove il lavoro bio-geo-ispirato può aiutare a promuovere la chimica reazioni in condizioni lievi ", ha aggiunto Shawn E. McGlynn, anche un autore dello studio, con sede presso il Tokyo Institute of Technology.

Altri autori di questo studio includono Ruvan de Graaf e Mari Strandoo Rodin del College of the Atlantic, Aya Ohno del RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Giappone, Nick Lane dell'University College di Londra, Yoichi MA Yamada di RIKEN, Ryuhei Nakamura di RIKEN e Tokyo Institute of Technology e Dieter Braun dell'Università Ludwig-Maximilians di Monaco.

Questo lavoro è stato sostenuto in parte dal Maine Space Grant Consortium della NASA (SG-19-14 e SG-20-19), dalla US National Science Foundation (1415189 e 1724300), dalla Japan Society for the Promotion of Science (FY2016-PE- 16047 e FY2016-PE-16721), l'Istituto nazionale di scienze mediche generali del National Institutes of Health (P20GM103423), l'Organizzazione europea di biologia molecolare (ALTF- 725 1455-2015), l'Institute for Advanced Study di Berlino e la famiglia Gerstner Fondazione.