I raggi cosmici potrebbero avere influenza l’orientamento delle molecole della vita.
Se potessimo rimpicciolirci abbastanza da poter camminare sull’elica genetica di qualsiasi animale, pianta, fungo, batterio o virus sulla Terra come se fosse una scala a chiocciola, ci ritroveremmo sempre a girare a destra – mai a sinistra.
È un tratto universale ancora in cerca di una spiegazione.
Chimici e biologi non vedono alcuna ragione ovvia per cui tutta la vita conosciuta preferisca questa struttura. Le molecole “chirali“ esistono in forme accoppiate che si rispecchiano a vicenda nel modo in cui un guanto per la mano destra corrisponde a uno per la sinistra. In sostanza tutte le reazioni chimiche note producono miscele di entrambi.
In linea di principio, un filamento di DNA o RNA fatto con mattoni di nucleotidi levogiri dovrebbe funzionare altrettanto bene di uno fatto di mattoni destrorsi (anche se una chimera che combina subunità sinistra e destra probabilmente non andrebbe così bene).
Eppure la vita oggi usa solo uno dei due settaggi disponibili in chimica. Molti ricercatori ritengono che la selezione sia stata casuale: probabilmente quei fili genetici destrorsi sono comparsi per primi, o in numero leggermente maggiore.
“Questo è uno dei legami tra la vita sulla Terra e il cosmo“, scrisse Louis Pasteur, uno dei primi scienziati a riconoscere l’asimmetria nelle molecole della vita, nel 1860.
Ora due fisici potrebbero aver convalidato l’intuizione di Pasteur collegando l’invariabile svolta del DNA naturale con il comportamento delle particelle fondamentali. La teoria, che è apparsa a maggio in The Astrophysical Journal Letters, non spiega ogni passo di come la vita abbia acquisito il verso a destra, ma afferma che la forma del DNA terrestre e dell’RNA non è casuale. Le nostre spirali potrebbero essere dovute all’influenza dei raggi cosmici.
Questo lavoro “indica un nuovo agente chirale che non stavamo prendendo in considerazione“, ha affermato Dimitar Sasselov, astronomo dell’Università di Harvard e direttore della Origins of Life Initiative, che non era coinvolto nella ricerca.
I raggi cosmici sono proiettili che arrivano dallo spazio profondo, schegge atomiche che piovono costantemente sulle nostre teste. Noémie Globus, astrofisica delle alte energie presso la New York University e il Center for Computational Astrophysics presso il Flatiron Institute, e Roger Blandford , astrofisico ed ex direttore dell’istituto della Stanford University, sono partiti dal fatto che la pioggia di raggi cosmici, come i filamenti di DNA, ha un verso.
Alcune delle particelle della pioggia di raggi cosmici attingono a una delle rare eccezioni della natura. Quando i protoni ad alta energia nei raggi cosmici si schiantano sull’atmosfera, producono particelle chiamate pioni e il rapido decadimento dei pioni è governato dalla forza debole, l’unica forza fondamentale con un’asimmetria a specchio nota.
I pioni che sbattono nell’atmosfera producono docce di particelle tra cui elettroni e loro fratelli più pesanti, i muoni, tutti equipaggiati dalla forza debole con lo stesso orientamento magnetico chirale rispetto al loro percorso. “Le particelle rimbalzano mentre si diffondono nell’atmosfera“, ha spiegato la Globus.
I primi organismi della Terra, che erano forse poco più che tratti nudi di materiale genetico, probabilmente nacquero in due varietà, presumono i ricercatori. Alcuni avevano filamenti di DNA o RNA che si arricciavano come i nostri, che Globus e Blandford hanno soprannominato molecole “vive” (le convenzioni di denominazione chirale differiscono per campo), mentre altri avevano filamenti rovesciati a specchio – definiti vita “malvagia”.
Con una serie di modelli, i ricercatori hanno calcolato che le particelle di raggi cosmici distorte avevano una maggiore probabilità, sia pur lieve, di liberare un elettrone da un’elica “viva” che da una “malvagia”, un evento che teoricamente causa mutazioni.
L’effetto sarebbe minuscolo: potrebbero essere necessari milioni, se non miliardi, di attacchi di raggi cosmici per produrre un elettrone libero aggiuntivo in un filamento “vivo”, a seconda dell’energia dell’evento. “Ma se quegli elettroni avessero modificato le lettere nei codici genetici degli organismi, quelle modifiche, alla fine, nel giro di forse un milione di anni potrebbero essersi sommate“, suggerisce Globus, “i raggi cosmici potrebbero aver accelerato l’evoluzione dei nostri primi antenati. Se non hai mutazioni, non ti evolvi“, ha spiegato.
Ora i ricercatori stanno cercando di capire se il verso delle particelle reali può effettivamente causare le rapide mutazioni viste nel loro modello. Dopo aver pubblicato i risultati dello studio, la Globus si è rivolta a David Deamer, un biologo e ingegnere dell’Università della California, a Santa Cruz, per chiedere aiuto. Impressionato dalle sue idee, questi ha suggerito il test biologico più semplice a cui potesse pensare: un test standard noto come test di Ames che espone una colonia batterica a una sostanza chimica per scoprire se la sostanza provoca mutazioni. Ma invece di valutare l’effetto di una sostanza chimica, i ricercatori intendono innaffiare la colonia batterica con fasci di elettroni o muoni chirali.
La prova che il verso delle particelle può davvero indurre mutazioni nei batteri rafforzerebbe l’idea secondo la quale la pioggia di raggi cosmici ha influenzato il cammino evolutivo delle prime forme di vita, ma non spiegherebbe completamente l’uniformità chirale della vita sulla Terra. La teoria non affronta, ad esempio, il modo in cui gli organismi “vivi” e gli organismi “malvagi” sono riusciti a materializzarsi da un frullato primordiale contenente sia i mattoncini per destrorsi che per sinistrorsi.
“Questo è un passo molto difficile“, ha commentato Jason Dworkin, astrobiologo senior del Goddard Space Flight Center della NASA e ricercatore presso la Simons Collaboration on the Origins of Life.
Anche prima che l’evoluzione genetica entrasse in scena, un altro processo sconosciuto sembra aver ostacolato la vita “malvagia”. Anche le semplici molecole di aminoacidi che formano le proteine esistono in configurazioni “vive” favorite dalla vita e configurazioni “malvagie” che non lo sono (sebbene la chiralità preferita per gli aminoacidi “vivi” sia quasi esclusivamente sinistrorsa).
Un’attenta analisi dei meteoriti di Dworkin e altri ha scoperto che alcuni amminoacidi “vivi” superano quelli del “male” del 20% o più, un surplus più che significativo. Le molecole in eccesso potrebbero essere costituite dai fortunati sopravvissuti di miliardi di anni di esposizione alla luce polarizzata circolarmente, una raccolta di fasci tutti a spirale nella stessa direzione che, secondo gli esperimenti, possono distruggere un tipo di aminoacido un po’ più dell’altro.
Ma, come i raggi cosmici, anche i raggi di luce hanno un effetto marginale. Sarebbero necessarie innumerevoli interazioni per provocare uno squilibrio significativo, quindi dovrebbe essere al lavoro anche qualche altra forza. La luce dovrebbe poter polverizzare quantità insostenibili di molecole per spiegare da sola l’eccesso di molecole destrorse, dice Dworkin.
Sasselov ha incoraggiato Globus e Blandford a considerare se i raggi cosmici potrebbero avere concorso con la luce polarizzata per modellare il verso degli aminoacidi sugli asteroidi. Sulla Terra, le dosi di raggi cosmici – che paragona a proiettili supersonici – che sarebbero necessarie per provocare una differenza significativa nella chiralità potrebbero rivelarsi letali, ha ipotizzato. “A dosaggi simili si distruggerebbe così tanto di tutto“, ha detto, “che sarebbe come rimanere con la mano [corretta], mentre essenzialmente ti stai sparando al piede“.
In definitiva, il fatto che i ricercatori abbiano difficoltà a trovare una teoria che bilanci la prevalenza della chiralità destrorsa con la distruzione di materiali biologici suggerisce che i lontanissimi iniziatori della vita sulla Terra potrebbero essere stati fortunati a cavalcare su quella linea sottile.
“C’è qualcosa di speciale nei pianeti come la Terra che protegge questo tipo di chimica“, ha concluso Sasselov.
