Su un banco di laboratorio, una manciata di fiale di vetro attaccate a un bilanciere oscillano dolcemente avanti e indietro. All'interno delle fiale, una miscela di sostanze chimiche organiche e minuscole particelle di oro degli sciocchi pone una domanda apparentemente al di là del loro umile aspetto:da dove viene la vita?

Combinando la teoria con l'esperimento, Gli scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison stanno cercando di capire come la vita possa nascere dalla non-vita. I ricercatori dell'UW-Madison Wisconsin Institute for Discovery stanno conducendo esperimenti per testare l'idea che reazioni chimiche realistiche potrebbero svilupparsi prontamente nelle giuste condizioni. Il lavoro affronta alcuni dei misteri più profondi della biologia, e ha implicazioni per comprendere come potrebbe essere la vita comune nell'universo.

David Baum, presidente e professore di botanica presso UW-Madison e Discovery Fellow presso WID, pensa che la vita più antica potrebbe aver fatto affidamento su un metabolismo primitivo che originariamente è iniziato sulle superfici minerali. Molte reazioni centrali nelle cellule moderne si basano su catalizzatori ferro-zolfo. Questa dipendenza da ferro e zolfo potrebbe essere un record impresso nelle cellule degli ambienti in cui il metabolismo stesso si è evoluto per la prima volta. Baum sta testando questa idea rivolgendosi alla pirite di ferro, un minerale di ferro e zolfo meglio conosciuto come l'oro degli stolti.

Insieme a Mike Berg, uno studente laureato alla ricerca delle origini della vita, Baum sta mescolando perline microscopiche di pirite di ferro con una fonte di energia chimica e semplici blocchi molecolari. Mentre le fiale di questa miscela oscillano avanti e indietro in laboratorio, piccoli gruppi di sostanze chimiche legate alla superficie del minerale potrebbero aggregarsi e iniziare ad aiutarsi a vicenda nella produzione di più sostanze chimiche. Se è così, è probabile che si diffondano ad altre perle di pirite di ferro, colonizzare nuove superfici.

Quando Berg trasferisce alcune perline in una nuova fiala, i gruppi chimici potrebbero continuare a diffondersi. Generazione dopo generazione, fiala dopo fiala, le miscele chimiche più efficienti e competitive colonizzerebbero la maggior parte della pirite di ferro. Questa è selezione. Come la selezione naturale, che ha creato la diversità e la complessità della vita sulla Terra, la selezione per la capacità di colonizzazione di questi gruppi chimici può rivelare cicli chimici realistici in grado di cambiare nel tempo.

"La visione a cui sono arrivato è che la chimica realistica può apparire relativamente facilmente in molti, molte ambientazioni geologiche, " dice Baum. "Il problema poi cambia. Non è più un problema di 'succederà, ' ma come sapremo che è successo?"

Hanno attraversato più di 30 generazioni finora, e sono alla ricerca di qualsiasi segno di cambiamento nel tempo, se si tratta di generazione di calore, consumo di energia o la quantità di materiale legato alle perline.

Il microbiologo Baum e UW-Madison e il biologo dei sistemi WID Kalin Vetsigian hanno pubblicato un documento lo scorso anno che delineava gli esperimenti, che si basano in parte sul principio della selezione dei quartieri. Normalmente, la selezione naturale opera su una popolazione di individui. Ma gli scienziati hanno proposto che anche se non esistono individui ben definiti nelle miscele chimiche, prevarranno le comunità molecolari che meglio colonizzano nuove superfici, e probabilmente migliorerà nel tempo. I tratti di successo della comunità nel suo insieme possono essere selezionati e trasmessi.

"Questa selezione a livello di comunità potrebbe aver avuto luogo prima che ci fossero individui con tratti che erano sia ereditari che variabili, " dice Vetsigian. "Se avete buone comunità, persisteranno».

Il progetto ha recentemente ricevuto 2,5 milioni di dollari di finanziamenti dalla NASA. Baum è il capo investigatore della ricerca, che include Vetsigian, Il chimico UW-Madison Tehshik Yoon, e collaboratori di altre sette istituzioni.

Le cellule hanno bisogno dei tipi di reazioni metaboliche studiate da Baum per produrre energia e i componenti di molecole più complesse. Hanno anche bisogno di un modo per memorizzare le informazioni. Tutte le cellule viventi trasmettono le loro informazioni genetiche con il DNA. Ma John Yin, professore di ingegneria chimica e biologica alla UW-Madison e biologo dei sistemi WID, sta esplorando modi alternativi per archiviare ed elaborare le informazioni con molecole più semplici nel tentativo di capire come la memorizzazione delle informazioni potrebbe evolversi senza cellule o DNA.

Prendendo spunto dall'informatica, Yin sta lavorando con il metodo più elementare di codifica delle informazioni, binario. Al posto dei bit elettronici, i suoi uno e zero sono i due amminoacidi più semplici, glicina e alanina. Utilizzando una forma unica di chimica, Lo Yin sta essiccando le miscele degli amminoacidi per incoraggiarli a unirsi.

"Stiamo vedendo diverse stringhe riproducibili di alanina e glicina in diversi tipi di condizioni, " spiega Yin. "Quindi questo è un primo indizio che in qualche modo il prodotto è un modo di rappresentare un particolare ambiente".

Il gruppo di Yin sta lavorando al compito tecnicamente impegnativo di leggere queste sequenze di amminoacidi in modo che possano tenere traccia delle informazioni molecolari. Il laboratorio Yin spera alla fine di scoprire gruppi di sostanze chimiche in grado di sfruttare queste informazioni molecolari per riprodursi. Sia per Baum che per Yin, i sistemi selezionabili richiedono questi cicli di prodotti chimici in grado di fare di più l'uno dell'altro, quello che Yin chiama "chiudere il ciclo".

È probabile che chiudere il ciclo in laboratorio sia difficile. Solo la sperimentazione lo dirà per certo.

Yin, Baum e Vetsigian sono interessati non solo a come è iniziata la vita sulla Terra, ma come potrebbe iniziare, ovunque. Se le reazioni chimiche e le informazioni molecolari realistiche vengono prodotte prontamente in laboratorio, che potrebbe cambiare il calcolo di come potrebbe essere la vita comune su altri mondi.

"Se troviamo molte sostanze chimiche diverse che supportano reazioni realistiche, possiamo aspettarci più origini della vita altrove nell'universo, "dice Baum.