Fotosintesi, il processo mediante il quale piante e altri organismi convertono la luce solare in energia chimica, è stato un attore importante durante l'evoluzione della vita e dell'atmosfera del nostro pianeta. Sebbene la maggior parte dei dettagli della fotosintesi siano compresi, come si sono evoluti i meccanismi necessari è ancora oggetto di dibattito. La risposta a questa domanda, però, potrebbe effettivamente giacere sepolto nel mondo minerale.

In un recente studio pubblicato su Le frontiere delle scienze della terra , scienziati dell'Università di Pechino, Cina, ha spostato l'attenzione nella ricerca sulla fotosintesi da piante e batteri un passo indietro verso le rocce e le sostanze che si trovano in quella che è conosciuta come la "membrana minerale" della Terra. Propongono che vari componenti di questo strato relativamente sottile, come birnessite, goethite, ed ematite, può anche assorbire energia dalla luce solare e incanalarla in reazioni chimiche. Ma come avviene questo?

Questi minerali semiconduttori sono sensibili alla specifica lunghezza d'onda della luce solare. Quando assorbono i fotoni, gli elettroni in stati di energia più bassa (banda di valenza) sono eccitati per saltare in stati di energia più alta (banda di conduzione). I fotoelettroni hanno energia sufficiente per guidare reazioni di riduzione che altrimenti richiederebbero energia esterna.

Sorprendentemente, questo meccanismo di fotosintesi non classico che si verifica nei minerali semiconduttori diffusi può catalizzare reazioni simili a quelle della fotosintesi biologica che si trovano nei cianobatteri. Per esempio, alcuni minerali possono favorire l'evoluzione dell'ossigeno (formazione di molecole di ossigeno) e la fissazione del carbonio (produzione di composti organici utilizzando atomi di carbonio da fonti inorganiche). Inoltre, questi minerali possono anche agire come fotocatalizzatori per la scissione dell'acqua, che produce idrogeno e ossigeno dall'acqua, e la conversione dell'anidride carbonica atmosferica in prodotti di carbonato marino. Questi processi combinati potrebbero aver giocato un ruolo trasformativo in tutta la Terra primitiva, causando notevoli cambiamenti nelle condizioni atmosferiche e marine per favorire l'evoluzione delle prime forme di vita.

Più importante, gli scienziati hanno notato che la birnessite è strutturalmente simile alla "Mn ₄ CaO ₅ complesso al centro dei sistemi di fotosintesi degli organismi moderni. Questo composto contenente manganese, che esegue la scissione dell'acqua assorbendo la luce solare, potrebbe essersi effettivamente evoluto come un analogo della birnessite. L'autore principale Dr. Anhuai Lu spiega, "Il nostro lavoro in questo nuovo campo di ricerca sui meccanismi di interazione tra luce, minerali, e la vita rivela che i minerali e gli organismi sono in realtà inseparabili." Gli scienziati postulano che i batteri primitivi sarebbero dipesi inizialmente da minerali come la birnessite per convertire la luce solare in energia chimica utile, prima di incorporare lentamente analoghi strutturali nei loro corpi cellulari durante l'evoluzione.

Una migliore comprensione della fotosintesi non classica aiuterà gli scienziati a svelare i misteri dietro l'evoluzione della vita e la composizione chimica del nostro pianeta come lo conosciamo. Da un punto di vista più pratico, aiuterà anche nello sviluppo di metodi efficienti per la raccolta dell'energia solare. "Possiamo usare la fotocatalisi minerale per promuovere la scissione dell'acqua, migliorando così l'efficienza dei sistemi di biofotosintesi e portando a tecnologie rivoluzionarie, " rimarca il dott. Lu.

Dal progresso nelle applicazioni eco-compatibili ad una più profonda conoscenza della storia della vita, è chiaro che c'è molto da guadagnare dallo studio delle interazioni naturali tra luce solare e minerali. Contrariamente a come dice il vecchio detto, sembra che ci siano ancora molte cose nuove sotto il sole!