Le basi della vita nascoste tra la polvere interstellare
Difficoltà

Tutte le forme di vita che conosciamo, anche le più semplici, si basano su processi molto articolati. Se associamo la chimica alla vita, ci viene da pensare a macromolecole come il DNA, proteine, metaboliti e altre biomolecole, di conseguenza ci risulterà difficile immaginare processi biochimici che non siano basati su questi “mattoni” fondamentali.

È abbastanza difficile anche pensare che all’inizio sulla Terra fossero presenti un gran numero di molecole complesse, e viene dunque spontaneo immaginare che i processi prebiotici che ne portarono alla formazione fossero piuttosto elementari. In questo articolo vorrei, quindi, analizzare quei processi fondamentali che potrebbero aver portato dapprima alla sintesi di molecole organiche nel mezzo interstellare (ISM) e, poi, alla sintesi di RNA primordiale, l’anello di congiunzione fra il mondo prima della vita e il mondo per come lo conosciamo oggi.

Nel 1986 Walter Gilbert avanzò l’idea che i primi processi biologici fossero basati esclusivamente sull’RNA, supposizione che successivamente prese il nome di “ipotesi del mondo a RNA”. 

Effettivamente, è risaputo che RNA e DNA sono responsabili della trasmissione del codice genetico, ma il primo essendo strutturalmente più semplice si pensa che possa essersi sintetizzato precedentemente e aver dato inizio a processi prebiotici.

Come si evince dalla figura, RNA e DNA sono chimicamente simili, le differenze risiedono principalmente:

  • nello zucchero che li costituisce, che nel caso dell’RNA è il ribosio mentre per il DNA è il desossiribosio (un ribosio a cui manca un gruppo OH),
  • nelle basi azotate,
  • nella struttura costituita da un monofilamento per l’RNA e due filamenti avvolti su se stessi per il DNA. 

L’ipotesi del mondo a RNA, anche se non esente da critiche, ha portato a ricercare indizi che potessero spiegare attraverso processi elementari la formazione di molecole complesse all’origine della vita. Negli anni della formulazione di tale teoria, nel mezzo interstellare erano state identificate poche molecole e ancora non si conosceva la reale dinamica chimica che governa queste regioni dello spazio. Ad oggi , invece, sono state scoperte centinaia di molecole, molte delle quali associabili a pathway chimici che porterebbero alla formazione di molecole prebiotiche. 

Un esempio ne è la rilevazione della glicolaldeide (CH2OHCHO), effettuata per la prima volta nel 2000 in una regione del mezzo interstellare situata verso il centro galattico. La glicolaldeide è lo zucchero più semplice che possiamo immaginare, la sua scoperta in un mezzo così ostile come lo spazio ha rappresentato per gli astrobiologi un indizio fondamentale: le basi della vita sono ben più diffuse di quello che si potesse immaginare. 

Al fine di rendere l’idea di quali ambienti si stia parlando, il mezzo interstellare è quella regione dello spazio situata tra le stelle dove si possono trovare vere e proprie nubi di gas che si addensano sotto l’azione della gravità. In modo particolare una classe di nubi chiamate “nubi molecolari giganti”, che possono avere dimensioni di centinaia di anni luce e di migliaia di masse solari, rappresentano per i radioastronomi dei veri e propri laboratori su cui effettuare ricerche. 

Queste regioni dello spazio, tuttavia, hanno densità bassissime che rendono gli urti tra particelle poco probabili. Per intenderci, si arriva ad un massimo dell’ordine di 106 particelle per centimetro cubo contro le circa 1019 dell’atmosfera terrestre a livello del mare. Inoltre, le temperature sono molto basse, il che non permette alle particelle di avere energia cinetica sufficiente per far sì che molte reazioni possano verificarsi. È chiaro che stiamo parlando di un posto decisamente ostile per la manifestazione di reazioni chimiche: come è possibile allora che molecole composte da decine di atomi siano rilevate nello spazio? Molecole come la glicolaldeide possono formarsi nel mezzo interstellare grazie all’azione catalitica di grani di polvere che non sono altro che aggregati carbonacei o silicati di dimensioni micrometriche. Essi possono ospitare atomi e molecole sulla superficie fornendo così un substrato sul quale le reazioni possono avvenire più facilmente. 

Fig. 2: viene mostrato come atomi o semplici molecole leghino sulla superficie dei grani di polvere, insieme a ammoniaca, metano, acqua e altre specie che formano uno strato di ghiaccio. La radiazione ha il ruolo di far avvenire le reazioni ma anche di consentire alle specie formate di liberarsi nello spazio [per gentile concessione dell’autore].

Per esempio, una possibile via chimica che porta alla formazione di glicolaldeide nell’ISM è rappresentata dalla reazione su grani di polvere tra due molecole di formaldeide (CH2O) come schematizzato nella figura 2.

Fig.3: schema della reazione che porta alla formazione di glicolaldeide, G sta ad indicare che le particelle sono legate ai grani di polvere attraverso legami deboli. In un secondo momento la molecola formata può acquistare abbastanza energia per separarsi dal grano e tornare in fase gassosa.

La formaldeide nel mezzo interstellare possiede un’alta abbondanza relativa ed è sintetizzata facilmente a partire da monossido di carbonio (CO), praticamente presente ovunque nel mezzo interstellare. La formaldeide sta alla base di quella che è stata nominata “formose reaction”, ovvero una serie di reazioni condotte in soluzione acquosa e in presenza di idrossido di calcio Ca(OH2) che portano ad una miscela di zuccheri. Certo, nel mezzo interstellare le reazioni avvengono in fase gassosa o su grani di polvere e non in soluzione, ma, nonostante ciò, sono stati teorizzati pathways chimici che porterebbero alla formazione di zuccheri come il ribosio, costituente dell’RNA.

Fig4: molecola di glicolaldeide a sinistra e di ribosio a destra messe a confronto [per gentile concessione dell’autore].

Abbiamo appurato a questo punto che la formazione di zuccheri semplici come la glicolaldeide in regioni remote dello spazio sia possibile, ma essa è stata rilevata in quantità degne di nota anche nelle comete. 

Un team di ricercatori ha pubblicato un articolo in cui vengono riportate rilevazioni effettuate sulle comete. In particolare, l’analisi sull’abbondanza di glicolaldeide e la frequenza di impatti che si pensa avvennero quando la Terra era nelle prime fasi di vita fanno ipotizzare che il nostro pianeta abbia potuto ricevere circa 1023Kg di glicolaldeide cometario, insieme ad altro materiale, solo nel primo miliardo di anni di vita. 

Questo porta evidentemente a considerare la grande importanza che impatti dovuti ad asteroidi, comete e polveri possano aver avuto nell’arricchire la terra primordiale di costituenti preziosi per la vita.

In ultima analisi, vie chimiche che dalla glicolaldeide portano alla sintesi di RNA sono state ipotizzate in un ambiente come quello che si pensa possa essere stato quello della Terra primordiale. A tal proposito anche diversi esperimenti di laboratorio si dimostrano fondamentali per supportare tali ipotesi: conferme di come a partire da poche semplici molecole si possa formare RNA. 

Tuttavia, nonostante le numerose evidenze, l’insieme di processi che ha fatto sì che la vita sbocciasse è una rete intricata di processi chimici, molti dei quali mancano ancora di comprensione.

Riassumendo, oggi abbiamo visto insieme come le basi della vita possano diffondersi dalle polveri interstellari ai pianeti. Nel prossimo appuntamento parleremo, invece, di quei processi che nella Terra primordiale potrebbero aver portato alla formazione delle molecole responsabili dell’inizio della vita.

Riferimenti bibliografici

  • La chimica del cosmo, Steve Miller
  • First detection of glycolaldehyde outside the galactic center, Beltran et al.
  • Cometary glycolaldehyde as a source of pre-RNA molecules, Zellner et al.
  • Toward the RNA-World in the Interstellar Medium—Detection of Urea and Search of 2-Amino-oxazole and Simple Sugars, Izaskun Jimenez-Serra et al.

Simone Pistillo

Studente di Chimica Fisica presso l’università di roma “La Sapienza” anche se da sempre porto avanti la passione per l’astronomia con l’obiettivo un giorno di congiungere le due cose.
Nel tempo libero dedito alla fotografia di insetti e altri animali orripilanti, al tennis e soprattutto alla pasta. Tanta pasta.

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