Circa 4 miliardi di anni fa, La terra era un luogo inospitale, privo di ossigeno, esplodendo di eruzioni vulcaniche, e bombardato da asteroidi, senza segni di vita anche nelle forme più semplici. Ma da qualche parte in questo periodo caotico, la chimica della Terra si volse a favore della vita, dando vita, per quanto improbabile, ai primissimi organismi del pianeta.

Cosa ha spinto questa svolta critica? In che modo gli organismi viventi si sono radunati in un mondo così volatile? E quali sono state le reazioni chimiche che hanno prodotto i primi amminoacidi, proteine, e altri elementi costitutivi della vita? Queste sono alcune delle domande su cui i ricercatori si sono interrogati per decenni nel tentativo di ricostruire le origini della vita sulla Terra.

Ora gli scienziati planetari del MIT e dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics hanno identificato gli ingredienti chiave che erano presenti in grandi concentrazioni proprio nel periodo in cui i primi organismi apparvero sulla Terra.

I ricercatori hanno scoperto che una classe di molecole chiamate anioni solfuri potrebbe essere stata abbondante nei laghi e nei fiumi della Terra. Lo calcolano, circa 3,9 miliardi di anni fa, i vulcani in eruzione hanno emesso enormi quantità di anidride solforosa nell'atmosfera, che alla fine si sono depositati e si sono dissolti in acqua come anioni solfuri, in particolare, solfiti e bisolfiti. Queste molecole hanno probabilmente avuto la possibilità di accumularsi in acque poco profonde come laghi e fiumi.

"Nei laghi poco profondi, abbiamo scoperto che queste molecole sarebbero state una parte inevitabile dell'ambiente, "dice Sukrit Ranjan, un postdoc presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze dell'atmosfera e planetarie. "Stiamo cercando di capire se fossero parte integrante dell'origine della vita".

Il lavoro preliminare di Ranjan e dei suoi collaboratori suggerisce che gli anioni solfodici avrebbero accelerato le reazioni chimiche necessarie per convertire molecole prebiotiche molto semplici in RNA, un mattone genetico della vita.

"Prima di questo lavoro, la gente non aveva idea di quali livelli di anioni solfuri fossero presenti nelle acque naturali della Terra primitiva; ora sappiamo cosa erano, " dice Ranjan. "Questo cambia radicalmente la nostra conoscenza della Terra primitiva e ha avuto un impatto diretto sugli studi di laboratorio sull'origine della vita".

Ranjan e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Astrobiologia .

Impostare il primo palcoscenico della Terra

Nel 2015, chimici dell'Università di Cambridge, guidato da John Sutherland, chi è coautore dello studio in corso, scoperto un modo per sintetizzare i precursori dell'RNA usando solo acido cianidrico, idrogeno solforato, e la luce ultravioletta, tutti ingredienti che si pensa fossero disponibili sulla Terra primitiva, prima della comparsa delle prime forme di vita.

Da un punto di vista chimico, il caso dei ricercatori è stato convincente:le reazioni chimiche che hanno effettuato in laboratorio hanno superato sfide chimiche di vecchia data, per dare con successo i mattoni genetici alla vita. Ma dal punto di vista della scienza planetaria, non era chiaro se tali ingredienti sarebbero stati sufficientemente abbondanti per avviare i primi organismi viventi.

Ad esempio, le comete potrebbero aver dovuto piovere continuamente per portare abbastanza acido cianidrico sulla superficie terrestre. Nel frattempo, idrogeno solforato, che sarebbe stato rilasciato in quantità enormi dalle eruzioni vulcaniche, sarebbe rimasto per lo più nell'atmosfera, poiché la molecola è relativamente insolubile in acqua, e quindi non avrebbe avuto opportunità regolari di interagire con l'acido cianidrico.

Invece di affrontare il puzzle delle origini della vita da una prospettiva chimica, Ranjan lo guardò da una prospettiva planetaria, cercando di identificare le condizioni reali che potrebbero essere esistite sulla Terra primitiva, nel periodo in cui apparvero i primi organismi.

"Il campo delle origini della vita è stato tradizionalmente guidato da chimici, che cercano di capire i percorsi chimici e vedere come la natura potrebbe aver operato per darci le origini della vita, " Ranjan dice. "Fanno davvero un ottimo lavoro in questo senso. Quello che non fanno in modo così dettagliato è, non chiedono come erano le condizioni sulla Terra primordiale prima della vita? Gli scenari che invocano potrebbero essere realmente accaduti? Non sanno bene quale fosse la scenografia".

Preparare gli ingredienti per la vita

Ad agosto 2016, Ranjan ha tenuto un discorso all'Università di Cambridge sul vulcanismo su Marte e sui tipi di gas che sarebbero stati emessi da tali eruzioni nell'atmosfera priva di ossigeno del pianeta rosso. I chimici al discorso si sono resi conto che le stesse condizioni generali si sarebbero verificate sulla Terra prima dell'inizio della vita.

"Hanno portato via da quel [parlare] che, sulla Terra primitiva, non hai molto ossigeno, ma hai anidride solforosa da vulcanismo, " ricorda Ranjan. "Di conseguenza, dovresti avere solfiti E hanno detto, "Puoi dirci quanta parte di questa molecola ci sarebbe stata?" Ed è quello che abbiamo deciso di limitare".

Fare così, ha iniziato con un modello di vulcanismo sviluppato in precedenza da Sara Seager, Classe del 1941 del MIT Professore di Scienze Planetarie, e il suo ex studente laureato Renyu Hu.

"Hanno fatto uno studio in cui hanno chiesto, «Supponiamo di prendere la Terra e di aumentare la quantità di vulcanismo su di essa. Quali concentrazioni di gas si ottengono nell'atmosfera?'", dice Ranjan.

Ha consultato la documentazione geologica per determinare la quantità di vulcanismo che probabilmente ha avuto luogo circa 3,9 miliardi di anni fa, nel periodo in cui si pensa che siano apparse le prime forme di vita, quindi hanno cercato i tipi e le concentrazioni di gas che questa quantità di vulcanismo avrebbe prodotto secondo i calcoli di Seager e Hu.

Prossimo, ha scritto un semplice modello geochimico acquoso per calcolare quanto di questi gas sarebbe stato dissolto in laghi e bacini idrici poco profondi, ambienti che sarebbero stati più favorevoli alla concentrazione delle reazioni di formazione della vita, contro i vasti oceani, dove le molecole potrebbero facilmente dissiparsi.

interessante, ha consultato la letteratura su un argomento piuttosto inaspettato mentre conduceva questi calcoli:la vinificazione, una scienza che coinvolge, in parte, dissolvendo l'anidride solforosa in acqua per produrre solfiti e bisolfiti in condizioni senza ossigeno simili a quelle sulla Terra primordiale.

"Quando stavamo lavorando su questo documento, molte delle costanti e dei dati che abbiamo estratto provenivano dalle riviste di chimica del vino, perché è dove abbiamo ambienti anossici qui sulla Terra moderna, " Dice Ranjan. "Così abbiamo preso aspetti della chimica del vino e abbiamo chiesto:'Supponiamo di avere x quantità di anidride solforosa. Quanto di questo si dissolve in acqua, e poi cosa diventa?'"

Interazione comunitaria

In definitiva, ha scoperto che, mentre le eruzioni vulcaniche avrebbero vomitato nell'atmosfera enormi quantità sia di anidride solforosa che di idrogeno solforato, era il primo che si dissolveva più facilmente in acque poco profonde, producendo grandi concentrazioni di anioni solfuri, sotto forma di solfiti e bisolfiti.

"Durante le grandi eruzioni vulcaniche, potresti aver avuto fino a livelli millimolari di questi composti, che riguarda le concentrazioni a livello di laboratorio di queste molecole, nei laghi, " dice Ranjan. "È una quantità titanica."

I nuovi risultati indicano solfiti e bisolfiti come una nuova classe di molecole, quelle che erano effettivamente disponibili sulla Terra primitiva, che i chimici possono ora testare in laboratorio, per vedere se possono sintetizzare da queste molecole i precursori della vita.

I primi esperimenti condotti dai colleghi di Ranjan suggeriscono che solfiti e bisolfiti potrebbero aver effettivamente incoraggiato la formazione di biomolecole. Il team ha effettuato reazioni chimiche per sintetizzare ribonucleotidi con solfiti e bisolfiti, contro con idrosolfuro, e ha scoperto che i primi erano in grado di produrre ribonucleotidi e molecole correlate 10 volte più velocemente dei secondi, e con rese maggiori. È necessario ulteriore lavoro per confermare se gli anioni solforici fossero davvero i primi ingredienti nella produzione delle prime forme di vita, ma ora ci sono pochi dubbi sul fatto che queste molecole facessero parte dell'ambiente prebiotico.

Per adesso, Ranjan afferma che i risultati aprono nuove opportunità di collaborazione.

"Ciò dimostra la necessità che le persone della comunità scientifica planetaria e della comunità delle origini della vita parlino tra loro, " Dice Ranjan. "È un esempio di come l'impollinazione incrociata tra le discipline possa davvero produrre intuizioni semplici ma solide e importanti".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.