Si pensa che minuscole bolle piene di gas nella roccia porosa che si trovano intorno alle sorgenti termali abbiano svolto un ruolo importante nell'origine della vita. Le differenze di temperatura all'interfaccia tra le fasi liquide potrebbero quindi aver avviato l'evoluzione chimica prebiotica.

Una pletora di processi fisico-chimici deve aver creato le condizioni che hanno permesso ai sistemi viventi di emergere sulla Terra primordiale. In altre parole, l'era dell'evoluzione biologica deve essere stata preceduta da una fase - presumibilmente prolungata - di evoluzione chimica "prebiotica", durante il quale sono state assemblate e selezionate le prime molecole informazionali capaci di replicarsi. Questo scenario solleva immediatamente un'altra domanda:in quali condizioni ambientali potrebbe aver avuto luogo l'evoluzione prebiotica? Una possibile impostazione è stata a lungo discussa ed esplorata:piccoli pori nelle rocce vulcaniche. Un team internazionale di ricercatori guidati da Dieter Braun (professore di biofisica dei sistemi alla Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera) ha ora esaminato più da vicino le interfacce acqua-aria in questi pori. Si formano spontaneamente in corrispondenza di bolle piene di gas e mostrano un'interessante combinazione di effetti.

Hanno scoperto che avrebbero potuto svolgere un ruolo importante nel facilitare le interazioni fisico-chimiche che hanno contribuito all'origine della vita. Nello specifico, Braun ei suoi colleghi hanno chiesto se tali interfacce avrebbero potuto stimolare i tipi di reazioni chimiche che hanno innescato le fasi iniziali dell'evoluzione chimica prebiotica. I loro risultati appaiono nella rivista principale Chimica della natura .

Lo studio supporta fortemente l'idea che minuscole bolle piene di gas che sono state intrappolate, e ha reagito con, le superfici dei pori nelle rocce vulcaniche potrebbero infatti aver accelerato la formazione delle reti chimiche che alla fine hanno dato origine alle prime cellule. Così, gli autori hanno potuto verificare e caratterizzare sperimentalmente gli effetti facilitanti delle interfacce aria-acqua sulle relative reazioni chimiche. Se c'è una differenza di temperatura lungo la superficie di tale bolla, l'acqua tenderà ad evaporare sul lato più caldo e condensare sul lato più freddo, proprio come una goccia di pioggia che cade su una finestra scorre lungo la superficie piana del vetro e alla fine evapora. "In linea di principio, questo processo può essere ripetuto all'infinito, poiché l'acqua passa continuamente dalla fase gassosa a quella liquida, "dice Braun, che ha caratterizzato in dettaglio il meccanismo e i processi fisici sottostanti, insieme al suo dottorando Matthias Morasch e ad altri membri del suo gruppo di ricerca. Il risultato di questo fenomeno ciclico è che le molecole si accumulano a concentrazioni molto elevate sul lato più caldo della bolla.

"Abbiamo iniziato effettuando una serie di misurazioni delle velocità di reazione in varie condizioni, al fine di caratterizzare la natura del meccanismo sottostante, " dice Morasch. Il fenomeno si è rivelato sorprendentemente efficace e robusto. Anche piccole molecole potevano essere concentrate ad alti livelli. "Abbiamo poi testato tutta una serie di processi fisici e chimici, che deve aver svolto un ruolo centrale nell'origine della vita, e tutti sono stati notevolmente accelerati o resi possibili nelle condizioni prevalenti all'interfaccia aria-acqua." Lo studio ha beneficiato delle interazioni tra il gruppo di biofisici di Braun e gli specialisti in discipline come chimica e geologia che collaborano con lui nel Centro di ricerca collaborativa (SFB/TRR) sull'origine della vita (finanziato dal DFG), e da collaborazioni con membri di team internazionali.

Per esempio, i ricercatori della LMU mostrano che i processi fisico-chimici che promuovono la formazione di polimeri sono stimolati, o resi possibili in primo luogo, dalla disponibilità di un'interfaccia tra l'ambiente acquoso e la fase gassosa, che aumenta notevolmente i tassi di reazioni chimiche e meccanismi catalitici. Infatti, in tali esperimenti, le molecole potrebbero essere accumulate ad alte concentrazioni all'interno delle membrane lipidiche quando i ricercatori hanno aggiunto i costituenti chimici appropriati. "The vesicles produced in this way are not perfect. But the finding nevertheless suggests how the first rudimentary protocells and their outer membranes might have been formed, " says Morasch.

Whether or not this sort of process can take place in such vesicles "does not depend on the nature of the gas within the bubble. What is important is that, owing to differences in temperature, the water can evaporate in one location and condense in another, " Braun explains. In earlier work, his group has already described a different mechanism by which temperature differences in water bodies can serve to concentrate molecules. "Our explanatory model enables both effects to be combined, which would enhance the concentrating effect and thus increase the efficiency of prebiotic processes, " Aggiunge.