Prime fonti energetiche

Il reperimento di una fonte energetica stabile è stato fondamentale per lo svilupparsi della vita; contrariamente a quanto pensavano Miller e il suo gruppo intorno agli inizi degli anni Cinquanta, nell'atmosfera della terra quasi sicuramente non era presente nè l'ammoniaca né il metano ma probabilmente solo acqua, ferro, anidride carbonica e solfuro di idrogeno, molecole abbondanti presso le bocche vulcaniche nella profondità degli oceani, dove sono stati trovati numerosi archeobatteri, molti dei quali utilizzano come fonte di nutrimento principale la pirite (FeS₂, bisolfuro di ferro).

Riproducendo le condizioni ambientali del "brodo primordiale" si ottengono molecole organiche ma in piccola concentrazione e non è possibile ottenere catene di acidi grassi sufficientemente lunghe; tutte le reazioni di condensazione, inoltre, sono sfavorite in ambiente acquoso; del resto sono state ottenute molecole organiche (aminoacidi, acidi grassi, basi azotate) nelle più diverse condizioni sperimentali e si è verificato che sono anche presenti nella polvere cosmica che quotidianamente bombarda il nostro pianeta.

Christian de Duve, e con lui molti altri studiosi, hanno formulato l'ipotesi che sin dall'inizio si sia avuto il contemporaneo sviluppo di molecole in grado di autoriprodursi e di altre capaci di attività metabolica e pertanto in grado di utilizzare una qualche fonte energetica; i solfuri di ferro dovevano essere molto diffusi nelle rocce degli oceani primordiali sotto forma per esempio di pirite (FeS₂, bisolfuro di ferro) e probabilmente anche altri minerali potevano funzionare da catalizzatori (alcuni scienziati hanno formulato l'ipotesi che si trattasse di argille).

I tioli sono prodotti frequenti delle esalazioni vulcaniche, molto diffuse agli albori della vita e il legame presente nei tioesteri è ad alta energia, equivalente ai legami fosfato nell'ATP. I tioesteri ancora oggi sono coinvolti nella sintesi di molti esteri, di peptidi, di acidi grassi, di steroidi (i precursori di molti ormoni) e di molte altre molecole organiche, nonché in processi nei quali l'ATP è consumato o rigenerato. Sulla base di queste considerazioni, De Duve e molti altri scienziati ritengono che i tioli abbiano svolto lo stesso ruolo in cui è impegnato attualmente l'ATP. Lo ione ferro (Fe²⁺) avrebbe potuto rifornire attraverso semplici reazioni ioni idrogeno ed idrogeno molecolare: l’ossidazione dello ione ferroso (Fe²⁺) a ione (Fe³⁺) può avvenire attraverso diversi meccanismi, per esempio grazie ai raggi ultravioletti, abbondanti nell’atmosfera primitiva, mentre il processo inverso è spontaneo in loro assenza. Questa ipotesi troverebbe conferma nel fatto che atomi di ferro e di zolfo sono frequenti in molte molecole biologiche.. Altri pensano che ciò sia effettivamente avvenuto, non sulla superficie delle acque, ma presso le sorgenti idrotermali presenti nelle profondità degli oceani, dove vivono abbondanti gli Archeobatteri, che molti ritengono le prime forme di vita comparse sulla terra. È molto probabile che nell’archeano il pavimento basaltico degli oceani fosse ricchissimo di camini vulcanici, ambienti caldissimi e ricchi di nutrienti inorganici quali zolfo, manganese e appunto ioni ferro.

Insomma, molti studiosi (John Bernal (1951), Graham Cairns-Smith (1982), de Duve (1995) e Günther Wächtershäuser (1998)) hanno suggerito che l'adsorbimento su minerali salini avrebbe potuto favorire le reazioni metaboliche che hanno portato alla nascita delle macromolecole e il chimico tedesco Günther Wächtershäuser ha formulato in proposito un modello molto argomentato; acidi grassi e lipidi, costituenti fondamentali delle membrane cellulari, possono aver aderito strettamente sulle superfici di pirite, formando la cosiddetta "pizza primordiale" e provocando un'espulsione dell'acqua che rende l'ambiente locale più idrofobico; ciò avrebbe facilitato le reazioni di condensazione e quindi la formazione di polimeri implicati nel metabolismo e di molecole in grado di autoriprodursi. Le superfici di minerali avrebbero anche avuto l'importante funzione di orientare in modo preciso le molecole, costringendole ad assumere, nel caso che esse siano chirali, una specifica conformazione. Una volta che la superficie minerale, almeno localmente, fosse stata ricoperta da uno strato continuo di fosfolipidi, questi avrebbero potuto originare microsfere al cui interno avrebbero potuto concentrarsi i polipeptidi, le molecole ad alto livello energetico capaci di innescare cicli metabolici completi e anche molecole in grado di conservare l’informazione ereditaria, come per esempio i ribozimi; legami fosfato avrebbero potuto rappresentare una primordiale fonte di energia.

Christian de Duve (1917): Il biologo belga è stato il fondatore dell'International Institute of cellular and molecular Pathology e premio Nobel per la medicina nel 1974.