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ARGOMENTO: BIOLOGIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: origine della vita, sistemi idrotermali
Le bocche idrotermali sottomarine sono habitat geochimicamente reattivi che ospitano ricche comunità microbiche. Secondo uno studio esistono sorprendenti parallelismi tra la chimica della coppia redox H²-CO² presente nei sistemi idrotermali e le reazioni metaboliche dell’energia centrale di alcuni moderni organismi, detti autotrofi, che non hanno bisogno di molecole organiche provenienti da fonti esterne essendo in grado di sintetizzarle autonomamente a partire da sostanze inorganiche semplici.
Una cosa affascinate è che la biochimica di questi organismi autotrofi potrebbe ospitare indizi sui tipi di reazioni che hanno avviato la chimica della vita. Questa teoria di fatto unisce la microbiologia alla geologia per dare una risposta ad una delle domande più importanti della biologia: qual è l’origine della vita?
Aleksandr Ivanovich Oparin (1894-1980), biochimico russo, è ricordato per il suo lavoro sulle teorie sull’origine della vita. Nel 1922 presentò le sue idee alla Società Botanica Russa e le pubblicò in un opuscolo nel 1924. Fu solo negli anni ’30 che le sue idee divennero più ampiamente conosciute. Oparin suggerì che le materie prime della vita fossero state acqua, metano, ammoniaca e idrogeno. Ipotizzò che nelle condizioni primordiali, queste sostanze potrebbero essersi combinate per formare sistemi biochimici sempre più complessi che alla fine portarono all’inizio della vita sulla Terra
Il concetto che la vita sia nata da un brodo primordiale che ricopriva la Terra è generalmente attribuito a Oparin e Haldane. Questa teoria ebbe supporto da Miller che dimostrò che molecole organiche potevano essere ottenute effettuando una scarica elettrica su una miscela di gas CH⁴, NHᵌ e H² (che a quel tempo si pensava rappresentassero la prima atmosfera della Terra). I composti organici che si formarono includevano acido cianidrico (HCN), aldeidi, amminoacidi, petrolio e catrame. Ulteriori amminoacidi furono prodotti dalla sintesi di Strecker attraverso l’idrolisi dei prodotti di reazione di HCN, cloruro di ammonio e aldeidi, e in esperimenti successivi la polimerizzazione di HCN produsse le basi degli acidi nucleici: l’adenina e la guanina.
Un’ipotesi affascinante che però implicava che un’ulteriore condensazione e polimerizzazione di queste molecole di precursori organici richiedesse un meccanismo per promuoverne la concentrazione.
Nei loro modelli originali, Oparin e Haldane presumevano che la proteina fosse la fonte dell’informazione genetica, che sarebbe stata trasferita direttamente da proteina a proteina attraverso l’assimilazione di ulteriori molecole organiche. Mentre Oparin era propenso ad una sintesi abiotica, in cui una proteina contenente informazioni era il primo passo verso la vita, Haldane ipotizzò una qualche forma di metabolismo. Di fatto, dopo tanti anni, l’ipotesi sull’origine della vita, basata sul RNA o con origini autotrofe, è ancora dibattuta nelle comunità scientifiche.
Quando circa 30 anni fa furono scoperte le bocche idrotermali sottomarine, le ipotesi sulla fonte della vita iniziarono a cambiare. Le bocche idrotermali hanno rivelato un vasto e precedentemente sconosciuto dominio della chimica sulla Terra. Incredibilmente esse ospitano ricchi ecosistemi, la cui fonte di energia deriva principalmente dal vulcanismo della dorsale oceanica.
Hydrothermal Vent. Source: Wikimedia Commons
Analizzando questi ambienti estremi, queste fumarole di solfuri a 360°C ricordano la Terra primordiale. Questa scoperta ha avuto un impatto immediato sulle ipotesi sull’origine della vita, perché le fumarole sono ambienti chimicamente reattivi che costituiscono condizioni adatte per sintesi prebiotiche.
acqua calda (550 °F), ricca di minerali sgorga dal fondo del mare nel campo di sfiato idrotermale scoperto il 28 aprile 2012. L’acqua ricca di minerali di questo “black smoke” sembra fumo a causa delle particelle minerali che entrano in contatto con l’acqua di mare più fredda. Un deposito batterico bianco è visibile sulla superficie del camino sotto il black nero. I batteri utilizzano le sostanze chimiche presenti nell’acqua come fonte di energia. Credito: MBARI 2012
Le prese d’aria idrotermali sono state scoperte in quasi tutti i fondali marini. Nelle zone di diffusione, le camere magmatiche, che contengono roccia fusa (800–1.200°C), scaricano periodicamente lave sul fondo oceanico. Queste eruzioni producono bocche idrotermali nere che ospitano comunità biologiche dense e diversificate. In linea di massima, i batteri che vi vivono sono dislocati sul plume della fumarola (ipertermofili) ed alla sua base in colonie che utilizzano le sostanze inorganiche precipitate sono aerobici mentre quelli in prossimità dei sedimenti che circondano le fumarole, dislocati in prossimità dei basalti porosi che si trovano a temperature di 50 – 60 °C sono anaerobici. Un mondo complesso ancora tutto da scoprire.
Nel 2000 è stato scoperto un tipo completamente nuovo di fumarola che è caratterizzato da camini di carbonato che si innalzano per 60 metri sopra il fondale. Questo sistema di sfiato è stato chiamato campo idrotermale di Lost City (LCHF) e potrebbe essere particolarmente rilevante per una futura comprensione delle origini della vita. Si tratta di una zona dell’Oceano Atlantico ricca di bocche idrotermali che differisce significativamente dalle fumarole nere scoperte negli ultimi anni settanta.
Queste furono scoperte nel dicembre 2000 durante una spedizione nel medio Atlantico della National Science Foundation e furono poi esplorate nel 2003 con il sommergibile DSV Alvin. Le bocche di Lost City rilasciano metano e idrogeno nell’acqua circostante e non producono quantità significative di anidride carbonica, idrogeno solforato o metalli, che sono i prodotti principali delle bocche idrotermali dette fumarole nere. Le bocche sono posizionate sul Massiccio dell’Atlantide, Atlantis Massif, una grande montagna sottomarina, dove si trova una zona con circa 30 camini di carbonato di calcio, alti dai 30 ai 60 metri, ed altri camini minori.
Si ritiene che si formò al di sotto della vicina dorsale medio-atlantica, creatosi durante il movimento delle placche, circa 1,5-2 milioni di anni fa, su rocce magmatiche che hanno una composizione chimica simile alle lave eruttate negli oceani primordiali. Studi geologici del massiccio hanno scoperto che non è composto dal basalto nero tipico dei fondali oceanici, ma da una densa peridotite verde che si trova solitamente nel mantello, formatosi da un’attività di faglia prolungata che durò milioni di anni.
Perché sono interessanti?
I camini idrotermali di Lost City sono profondamente diversi dalle fumarole nere. Di conseguenza potrebbero fornirci una migliore comprensione dei vincoli chimici che avvennero durante la transizione evolutiva da processi geochimici a quelli biochimici ovvero … nella formazione della vita. Lo studio citato fornisce molti particolari tecnici che, in estrema sintesi riassumo di seguito. Si tratta di pinnacoli con una ventilazione attiva, composti da aragonite (CaCO3) e brucite (Mg(OH)²). Il materiale, di colore grigio-marrone, contiene carbonati ma è particolarmente ricco di calcite che si è ricristallizzata dall’aragonite. Dense colonie di batteri filamentosi prosperano nei fluidi ricchi di CH⁴ e H² che hanno un pH elevato (9-11). L’interno dei camini è dominato da un unico filotipo di archiobatteri dell’ordine Methanosarcinales che crescono ad una temperatura di 80°C. Le sequenze del gene dell’RNA ribosomiale batterico analizzato corrispondono quindi a comunità diversificate.
vermi tubolari giganti cresciuti intorno alle acque calde che circondano le bocche idrotermali | NOAA
Conclusioni
La scoperta delle fumarole idrotermali negli abissi ha quindi cambiato profondamente il modo in cui vediamo la storia geologica, geochimica ed ecologica della Terra. Le bocche idrotermali sono abbondanti sul fondo degli oceani del mondo e sono importanti fonti di molti elementi e composti organici che vengono trasferiti nell’idrosfera. Possono ospitare una vita affascinante con relazioni simbiotiche che coinvolgono microrganismi capaci di generare l’energia di cui hanno bisogno da composti inorganici di origine minerale che utilizzano l’energia chimica per supportare le forme animali.
Osservare questi ambienti estremi è affascinante, una visita alla Terra primordiale; probabilmente i sistemi idrotermali attivi si svilupparono quando l’acqua allo stato liquido si formò sulla Terra più di 4,2 miliardi di anni fa e questo fa presupporre che i microrganismi delle bocche idrotermali odierni potrebbero conservare caratteristiche fisiologiche simili ai primi ecosistemi microbici sulla Terra. Una ragione di più per poterle studiare alla ricerca delle origini della vita.
Riferimento
I condotti idrotermali e l’origine della vita di William Martin, John Baross, Deborah Kelley e Michael J. Russell
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