I ricercatori hanno sottoposto le loro zuppe chimiche a una forma di selezione prelevando una piccola quantità di materiale da una fiala e inserendola in una nuova fiala con pirite fresca e sostanze chimiche. Dopo più generazioni, hanno trovato prove di reti chimiche, rappresentato in giallo, diffusione abbastanza veloce da evitare la diluizione. Credito:laboratorio David Baum
I ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno coltivato reazioni chimiche realistiche mentre sperimentavano una nuova strategia per studiare l'origine della vita.
Il lavoro è lontano dal far ripartire la vita in laboratorio. Ancora, mostra che semplici tecniche di laboratorio possono stimolare i tipi di reazioni che sono probabilmente necessarie per spiegare come è iniziata la vita sulla Terra circa quattro miliardi di anni fa.
I ricercatori hanno sottoposto una ricca zuppa di sostanze chimiche organiche a ripetute selezioni, riducendo costantemente la popolazione chimica e lasciando che si ricostruisse di nuovo con l'aggiunta di nuove risorse. Nel corso di generazioni di selezione, il sistema sembrava consumare le sue materie prime, prove che la selezione possa aver indotto la diffusione di reti chimiche in grado di propagarsi.
Su tempi più lunghi, questi cambiamenti chimici oscillavano secondo uno schema ripetuto. Questo ciclo di espansione e contrazione non è ancora completamente spiegato, ma è una buona prova che le minestre chimiche hanno stabilito circuiti di feedback simili a quelli trovati negli organismi viventi. David Baum, un professore di botanica della UW-Madison, e il suo team hanno pubblicato i loro risultati il 23 ottobre, 2019, nel diario Vita . Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation e dalla NASA.
Ora, altri ricercatori possono utilizzare questo approccio sperimentale e aiutare a districare quali componenti sono necessari per incoraggiare sistemi chimici realistici e se tali reti chimiche possono continuare a evolvere tratti più complessi.
Se questo sistema può generare una maggiore complessità, potrebbe aiutare a risolvere l'enigma di come semplici sostanze chimiche alla fine abbiano dato origine a qualcosa di così intricato come l'antenato cellulare che ha generato tutta la vita oggi.
Quando i ricercatori hanno esteso il loro esperimento a 40 generazioni, hanno notato oscillazioni ripetute nella concentrazione di fosfato, uno dei principali materiali di partenza nelle loro zuppe chimiche. Queste oscillazioni suggeriscono lo sviluppo di circuiti di feedback, che sono una caratteristica della vita. Credito:laboratorio David Baum
"Una domanda fondamentale nell'origine della vita è:come si ottiene l'evoluzione prima che ci fosse un'informazione genetica come quella all'interno del DNA o dell'RNA?" dice Baum. "Ciò che ora abbiamo capito è che l'evoluzione delle reti chimiche può risolvere questo problema, ed è qualcosa che possiamo affrontare in laboratorio."
Per testare l'idea dell'evoluzione dell'ecosistema chimico, i ricercatori hanno assemblato una ricca zuppa di sostanze chimiche. Nell'acqua di mare, hanno sciolto gli amminoacidi, zuccheri, composti organici comuni, tracce di minerali e gli elementi costitutivi degli acidi nucleici. Per dare al sistema ancora più di un vantaggio, gli scienziati hanno corretto la ricca acqua di mare con ATP, una molecola ad alta energia che guida quasi tutte le reazioni della vita oggi, ma era improbabile che esistesse nei tempi primordiali.
"Non tutte queste sostanze chimiche potrebbero essere state disponibili sulla Terra primordiale, ma stiamo cercando di accelerare un processo che in teoria potrebbe partire da elementi costitutivi ancora più semplici, "dice Baum, che è anche un ricercatore presso il Wisconsin Institute for Discovery.
Il team ha mescolato la loro zuppa primordiale con grani fini di pirite, un minerale di ferro e zolfo noto anche come oro degli sciocchi. Basandosi sulla proposta di evoluzione chimica del 1988 del chimico tedesco Günter Wächtershäuser, Il team di Baum crede che la pirite sia un materiale ideale per coltivare una chimica realistica.
"La pirite era un minerale comune sulla Terra primordiale, può legarsi a molti composti organici, e può catalizzare reazioni tra di loro, "dice Lena Vincent, uno studente laureato nel laboratorio di Baum e l'autore principale dello studio. "E, molto elegantemente, molti enzimi altamente conservati nel corso della vita hanno nuclei molto simili alla pirite. Sono fondamentalmente pirite avvolta in proteine."
I ricercatori hanno aggiunto alcune gocce della zuppa di acqua di mare arricchita a una piccola quantità di pirite frantumata in una fiala e hanno mescolato la soluzione per alcuni giorni. Questa era la prima generazione. Per iniziare la prossima generazione, Vincent prese una piccola quantità della prima soluzione e la mescolò in una fiala con zuppa fresca e pirite. Oltre una dozzina o più generazioni, solo quelle reti chimiche che potevano propagarsi più velocemente di quanto fossero diluite sarebbero sopravvissute e si sarebbero diffuse.
Con un ingrandimento ultra elevato, i ricercatori hanno scoperto forme frattali distintive che si diffondono lungo i grani di pirite dopo che le loro zuppe chimiche hanno attraversato più generazioni. I ricercatori ritengono che questi frattali siano depositi salati indotti a formarsi da un sottile strato di materiale organico diffuso lungo il minerale. Credito:il laboratorio David Baum
Dopo 12 o 18 generazioni, i ricercatori hanno visto un calo del fosfato disponibile - una lettura dell'uso di ATP - e nel materiale organico disciolto, che ha suggerito che i composti chimici potrebbero attaccarsi e diffondersi lungo i grani di pirite.
Quando hanno ispezionato la pirite ad altissimo ingrandimento, i ricercatori hanno visto un'abbondanza di forme frattali diffondersi lungo la superficie del minerale nei campioni sperimentali ma non nei campioni di controllo che non avevano una storia di selezione.
Mentre queste forme frattali sembrano essere sali e non sono probabilmente realistiche, i ricercatori sospettano che possano essere indotti da una sottile macchia di composti organici legati ai grani. I frattali non sono mai apparsi quando il materiale organico è stato lasciato fuori dalla soluzione.
"Da molto tempo gli scienziati cercano esempi di reazioni che complicano e organizzano spontaneamente le sostanze chimiche organiche, "dice Jim Cleaves, un coautore del lavoro dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology in Giappone. "Sulla base di questo lavoro, e altri esperimenti che abbiamo condotto all'ELSI, sembra possibile che tali reazioni possano non essere affatto incredibilmente rare, potrebbe essere semplicemente una questione di usare gli strumenti giusti per trovarli."
Quando i ricercatori hanno portato l'esperimento a 40 generazioni, hanno osservato periodi di graduale cambiamento intervallati da improvvisi capovolgimenti delle condizioni di partenza. Mentre la causa di questi incidenti rimane sconosciuta, questo tipo di ciclo di feedback non lineare si trova nella vita ed è la prova che il sistema sperimentale ha indotto comportamenti complessi nel brodo chimico.
"Questa non linearità è un prerequisito per tutti gli interessanti comportamenti realistici che stiamo cercando, compresa l'autopropagazione e l'evoluzione, " dice Vincent. Cautamente eccitato dal loro successo preliminare, Baum e il suo team sono ora desiderosi di reclutare altri per aiutarli a perfezionare il loro sistema.
"Volevamo sviluppare un sistema che possiamo sondare ulteriormente per rispondere alle domande sull'evolvibilità. E si spera che altri laboratori utilizzino questo protocollo e lo migliorino, " dice Baum. "Questo è esattamente dove volevamo essere."
