La vita potrebbe aver fatto affidamento su qualcosa di diverso dall’ossigeno per i primi 1,5 miliardi di anni

“L'esistenza della vita sulla Terra è un colpo di fortuna o una conseguenza inevitabile delle leggi della natura? È semplice per la vita emergere su un pianeta appena formato, o è il prodotto virtualmente impossibile di una lunga serie di eventi improbabili?"

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L’esistenza della vita sulla Terra è un colpo di fortuna o una conseguenza inevitabile delle leggi della natura? È semplice per la vita emergere su un pianeta appena formato, o è il prodotto virtualmente impossibile di una lunga serie di eventi improbabili?” si chiede Jack Szostak, premio Nobel e professore di genetica alla Harvard Medical School.
I progressi in campi così disparati come l’astronomia, la scienza planetaria e la chimica ci portano a pensare che le risposte a domande così profonde potrebbero essere dietro l’angolo. Se la vita risultasse essere emersa più volte nella nostra galassia, come gli scienziati sperano di scoprire, il percorso verso di essa non può essere così difficile. Inoltre, se il percorso dalla chimica alla biologia si rivelasse abbastanza semplice, l’universo potrebbe pullulare di vita“.
Albert Einstein ha osservato che “si capisce meglio quanto sia ancora primitiva la fisica quando si ha a che fare con gli esseri viventi“. Forse lo stesso si può dire delle teorie sull’origine della vita. Gli scienziati ora si chiedono se la vita sulla Terra, per i primi 1,5 miliardi di anni, prima che vi fosse ossigeno nell’atmosfera, si basasse sull’arsenico.

“Non sappiamo davvero come funzionassero questi sistemi”

Per metà del tempo in cui la vita è esistita sulla Terra, non sappiamo come funzionasse, afferma Pieter Visscher, professore di scienze marine e geoscienze dell’Università di Conn. Non abbiamo idea di come funzionasse la vita con un possibile predecessore del ciclo dell’ossigeno. Oggi sappiamo che le piante e alcuni tipi di batteri sfruttano luce solare, acqua e CO2 convertendoli in carboidrati e ossigeno, che vengono poi riciclati e utilizzati da altri organismi che respirano ossigeno. Questo ossigeno funge da veicolo per gli elettroni, guadagnando e donando elettroni mentre si alimenta attraverso i processi metabolici.

“Ha lavorato assolutamente in assenza di ossigeno”

La vita basata sull’arsenico è solo una speculazione teorica, ha un ruolo biologico o è solo un composto tossico?” dice Visscher. “Lavoro con colture microbiche da circa 35 anni e questo è l’unico sistema sulla Terra in cui ho potuto trovare un tappeto microbico che funziona assolutamente in assenza di ossigeno“.
Gli organismi fotosintetici guidati dalla luce appaiono nella documentazione fossile sotto forma di rocce carbonatiche stratificate chiamate stromatoliti risalenti a circa 3,7 miliardi di anni fa, afferma Visscher. Le stuoie di stromatolite vengono depositate nel corso degli eoni dagli ecosistemi microbici, con ogni strato che contiene indizi sulla vita in quel momento. Ci sono esempi contemporanei di microbi che fotosintetizzano in assenza di ossigeno utilizzando una varietà di elementi per completare il processo, tuttavia non è chiaro come ciò sia accaduto nelle prime forme di vita.
Le teorie sul funzionamento dei processi vitali in assenza di ossigeno si basano principalmente sull’idrogeno, lo zolfo o il ferro come elementi deputati a traghettare gli elettroni per soddisfare le esigenze metaboliche degli organismi.

Altre teorie contestate

Come spiega Visscher, queste teorie sono contestate; per esempio, la fotosintesi è possibile con il ferro, ma i ricercatori non trovano prove di ciò nella documentazione fossile prima che l’ossigeno apparisse circa 2,4 miliardi di anni fa. Si parla di idrogeno, ma l’energetica e la competizione per l’idrogeno tra diversi microbi mostra che è altamente irrealizzabile.
L’arsenico è un’altra possibilità teorica e la prova di ciò è stata trovata nel 2008. Visscher afferma che il legame con l’arsenico è stato rafforzato nel 2014 quando lui e colleghi hanno trovato prove della fotosintesi a base di arsenico. Per supportare ulteriormente la loro teoria, i ricercatori dovevano trovare un analogo moderno per studiare la biogeochimica e il ciclo degli elementi.

Lavorare sulla documentazione fossile

Trovare un analogo alle condizioni presenti sulla Terra primordiale è una sfida per una serie di ragioni, senza contare che ora l’ossigeno è abbondante. Ad esempio, le prove mostrano che i primi microbi catturarono il carbonio atmosferico e produssero materia organica in un momento in cui le eruzioni vulcaniche erano frequenti, la luce UV era intensa poiché mancava lo strato di ozono e gli oceani erano essenzialmente una zuppa tossica.
Un altro aspetto impegnativo del lavorare all’interno dei reperti fossili, in particolare quelli antichi come alcune stromatoliti, è che ne sono rimasti pochi a causa della tettonica. Tuttavia, una svolta è avvenuta quando il team ha scoperto un tappetino microbico attivo, attualmente esistente nelle dure condizioni della Laguna La Brava nel deserto di Atacama in Cile.



Tappeti microbici

Questi tappetini microbici non erano stati studiati in precedenza, ma presentano una serie di condizioni come quelle della Terra primordiale. I tappetini si trovano in un ambiente unico che le lascia in uno stato permanente privo di ossigeno ad alta quota, dove sono esposte quotidianamente a sbalzi di temperatura improvvisi e ad elevati livelli di raggi UV. Questi tappetini sono strumenti potenti e informativi per comprendere veramente la vita nelle condizioni della Terra primordiale.

Un fiume rosso sangue

Abbiamo iniziato a lavorare in Cile, dove ho trovato un fiume rosso sangue“, ha detto Visscher. “I sedimenti rossi sono costituiti da batteri fotosintetici anossogenici. L’acqua è anche molto ricca di arsenico. L’acqua che scorre sui tappetini contiene acido solfidrico di origine vulcanica. Non c’è assolutamente ossigeno“.

Microbi che metabolizzano attivamente l’arsenico

Il team ha anche dimostrato che i tappetini producono depositi di carbonato e creano una nuova generazione di stromatoliti. I materiali carbonatici hanno anche mostrato prove del ciclo dell’arsenico (anche l’arsenico serve da veicolo per gli elettroni) dimostrando che i microbi metabolizzano attivamente l’arsenico, proprio come l’ossigeno nei sistemi moderni. Visscher sostiene che questi risultati, insieme alle prove fossili, danno un forte senso delle prime condizioni della Terra.
Nel cercare prove della vita su Marte, guarderanno al ferro ma probabilmente dovrebbero anche guardare all’arsenico“, dice Visscher osservando che uno strumento importante che hanno usato per eseguire questa ricerca è simile a uno a bordo del rover Perseverance, attualmente in rotta verso Marte.
Fonte: Pieter T. Visscher et al. Modern arsenotrophic microbial mats provide an analog for life in the anoxic Archean, Communications Earth & Environment (2020). DOI: 10.1038/s43247-020-00025-2

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