Il ruolo primordiale dell’idrogeno sull’origine della vita

Un nuovo studio ha rivelato il ruolo fondamentale dell'idrogeno come fonte di energia all'alba della vita, sottolineando il suo potenziale come combustibile sostenibile per il futuro

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Il ruolo primordiale dell'idrogeno sull'origine della vita
Il ruolo primordiale dell'idrogeno sull'origine della vita

Un nuovo studio ha rivelato il ruolo fondamentale dell’idrogeno come fonte di energia all’alba della vita, sottolineando il suo potenziale come combustibile sostenibile per il futuro.

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L’idrogeno: un combustibile antico e pulito

Un affascinante studio ci ha portato indietro nel tempo, svelando come l’idrogeno, il gas che oggi viene pubblicizzato come la fonte energetica del futuro, ha svolto un ruolo fondamentale all’origine della vita sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa.

Ben prima che gli esseri umani iniziassero a comprenderne i benefici, i microbi hanno sfruttato questo combustibile naturale fin dai primordi della vita sulla Terra. Le prime cellule hanno utilizzato l’idrogeno prodotto nelle sorgenti idrotermali, combinandolo con la CO2 per creare le molecole alla base della vita.

I microbi che prosperano grazie all’idrogeno e alla CO2 sono in grado di sopravvivere in ambienti estremi, come le profondità marine vulcaniche o le rocce calde della crosta terrestre. Questi habitat spettrali e primordiali, privi di luce solare, potrebbero aver ospitato le prime forme di vita sulla Terra, offrendo un terreno fertile per l’evoluzione.



Ricerche rivoluzionarie pubblicate su PNAS hanno offerto una nuova comprensione di come le prime cellule sulla Terra sfruttavano l’idrogeno (H2) come fonte di energia. Lo studio è stato condotto da un team di scienziati guidati da William F. Martin dell’Università di Düsseldorf e Martina Preiner dell’Istituto Max Planck (MPI) per la Microbiologia Terrestre di Marburg, in collaborazione con altri esperti in Germania e Asia.

Immagine della formazione Sulis nel campo idrotermale della Città Perduta, una bocca idrotermale alcalina che produce idrogeno. Credito: per gentile concessione di Susan Lang, U. of South Carolina /NSF/ROV Jason 2018 © Woods Hole Oceanographic Institution
Immagine della formazione Sulis nel campo idrotermale della Città Perduta, una bocca idrotermale alcalina che produce idrogeno. Credito: per gentile concessione di Susan Lang, U. of South Carolina /NSF/ROV Jason 2018 © Woods Hole Oceanographic Institution

Ottenere energia dall’idrogeno

Per ottenere energia dall’H2, le cellule devono compiere un lavoro controcorrente, “spingendo” gli elettroni dell’H2 contro il loro naturale flusso energetico. Max Brabender, uno dei primi autori dello studio ha spiegato: “È come chiedere a un fiume di scorrere in salita anziché in discesa”.

Solo 15 anni fa, Wolfgang Buckel e Rolf Thauer, due scienziati dell’Università di Marburg, hanno svelato il meccanismo chiave che permette alle cellule di utilizzare l’idrogeno come fonte di energia. Il processo, chiamato biforcazione elettronica, separa i due elettroni dell’idrogeno e li indirizza su percorsi distinti.

Un elettrone viene inviato su un percorso “in discesa”, liberando una grande quantità di energia. Questa energia viene utilizzata per “tirare su” l’altro elettrone lungo un percorso “in salita”, contro il suo naturale flusso energetico. L’energia di esso “in salita” può quindi essere utilizzata per alimentare le reazioni cellulari.

La biforcazione elettronica rappresenta un sistema ingegnoso che permette alle cellule di sfruttare l’idrogeno, una molecola altrimenti difficile da utilizzare. Questo processo efficiente e versatile ha avuto un ruolo fondamentale nell’origine della vita sulla Terra.

goccia acqua

La scoperta del legame diretto tra idrogeno e ferredossina

Nelle cellule, vengono richiesti diversi enzimi che inviano gli elettroni verso un trasportatore biologico antico ed essenziale chiamato ferredossina. Il nuovo studio mostra che a pH 8,5, tipico dei gas naturalmente alcalini, “non sono necessarie proteine”, ha spiegato Buckel, coautore dello studio: “Il legame H–H dell’H2 si divide sulla superficie del ferro, generando protoni che vengono consumati dall’acqua alcalina e dagli elettroni che vengono poi facilmente trasferiti direttamente alla ferredossina”.

Come l’idrogeno (H2) possa essere stato utilizzato in reazioni energeticamente “in salita” prima dell’evoluzione di enzimi e cellule è stato un enigma irrisolto. La scoperta del legame diretto tra H2 e ferredossina ha offerto una soluzione semplice e plausibile a questo.

La biforcazione elettronica, il processo che permette alle cellule di sfruttare l’H2, si è rivelata essere un processo antico e fondamentale nei microbi che vivono di idrogeno.
Questo suggerisce che il legame diretto tra H2 e ferredossina potrebbe essere un processo ancestrale presente fin dalle prime forme di vita.

Lo studio ha dimostrato che il ferro è l’unico metallo in grado di trasferire gli elettroni dell‘H2 alla ferredossina, una proteina chiave per la vita. La reazione avviene solo in condizioni alcaline, come quelle presenti in alcuni tipi di sorgenti idrotermali.

La scoperta ha rafforzato l’ipotesi che la vita si sia originata in ambienti alcalini come le sorgenti idrotermali. La semplicità di questa reazione chimica colma un’importante lacuna nella nostra comprensione dell’origine della vita.

Le sorgenti idrotermali odierne offrono un laboratorio naturale per osservare questo processo in azione, fornendo indizi preziosi sulle prime forme di vita.

Il ruolo del ferro metallico nelle sorgenti idrotermali rappresenta un passo avanti significativo nella nostra comprensione dell’origine della vita. La ricerca in questo campo è in continua evoluzione e ci porta a riconsiderare le nostre conoscenze e a esplorare nuove frontiere scientifiche. Lo studio di questo processo ancestrale può anche ispirare lo sviluppo di nuove biotecnologie basate sull’H2.

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