113 - Un'origine plausibile della vita26 luglio 2017GeneraleFrançois Roddier
[Il testo qui sotto è la traduzione francese di una proposta di ricerca che ho presentato, finalizzata a studiare l'origine della vita usando l'esperimento DECLIC a bordo della Stazione Spaziale]
Primi tentativi di studio
Secondo Maynard Smith e Szathmary EORs (1), la prima proposta seria per studiare l'origine della vita è dovuto AI Oparin (1924) e JBS Haldane (1929). La loro tesi era che se l'atmosfera primordiale mancava ossigeno libero, una grande varietà di composti organici potrebbe essere sintetizzato all'assistenza energia fornita da scariche ultravioletti luce e fulmini.
In 1953, su consiglio di Harold Urey, Stanley Miller ha testato questa ipotesi provocando scosse elettriche attraverso un involucro contenente acqua, metano e ammoniaca. Ha prodotto un'ampia varietà di composti organici, compresi i nucleotidi di cui sono fatti l'RNA e il DNA.
Tuttavia, le molecole essenziali erano assenti o ottenute solo a concentrazioni molto basse. Soprattutto, le reazioni prodotte mancavano di specificità, rendendo difficile comprendere come si sarebbero potuti formare polimeri, i cui legami chimici erano molto specifici.
In una serie di articoli pubblicati tra 1988 e 1992, Günter Wächtershäuser ha suggerito che si sarebbero potute verificare reazioni tra ioni fissati su una superficie caricata. L'attrazione tra le cariche di segni opposti fa sì che gli ioni in soluzione si attaccino alle superfici cariche. Possono muoversi lentamente sulla superficie, mantenendo lo stesso orientamento, il che aumenta notevolmente sia la velocità che la specificità delle reazioni chimiche.
I ricercatori hanno recentemente dimostrato che il confinamento di molecole in piccole gocce di liquido migliora significativamente la velocità delle reazioni, suggerendo applicazioni in chimica prebiotica (2). Questi risultati confermano le prese d'aria idrotermiche come possibile origine della vita, ma non viene fatto alcun riferimento al punto critico dell'acqua (3).
Auto-organizzazione e criticità
Durante questi ultimi 50 anni, le prove hanno accumulato che i processi auto-organizzati si verificano quando forze attrattive bilanciano le forze repulsive. Sono della stessa natura delle transizioni di fase continua osservate nei fluidi nello stato di opalescenza critica alla cosiddetta temperatura critica. Questa analogia è stata riconosciuta per la prima volta da Per Bak et al. (4), in relazione all'onnipresenza del rumore detto in 1 / f. Hanno chiamato questo processo "criticità auto-organizzata".
Un tipico esempio è la formazione di stelle in astrofisica. L'instabilità dei jeans che consente alle stelle di formarsi è infatti della stessa natura di quella che causa l'opalescenza critica. In entrambi i casi, le fluttuazioni di densità seguono una legge di potenza (rumore in 1 / f), come mostrato dalla distribuzione iniziale di massa di nuove stelle.
Nel suo libro "The Self-Organizing Universe" Erich Jantsh (5) ha mostrato che l'intero universo si auto-organizza seguendo sequenze di eventi simili. Una lenta "macroevoluzione" durante la quale le grandi strutture si condensano si alterna con una "microevoluzione" rapida durante la quale si formano nuovi costituenti elementari. La figura 1 riassume questo processo. Seguendo questo schema, la formazione stellare è parte della macroevoluzione. Attiva la formazione di nuovi atomi come l'elio che sono più pesanti di quelli dell'idrogeno. La formazione dell'elio riguarda la microevoluzione.
Fig. 1. L'auto-organizzazione dell'universo dopo Eric Jantsch (1980)
Seguendo Per Bak, possiamo considerare la macroevoluzione di Jantsch come una transizione di fase continua e la sua microevoluzione come una transizione di fase ripida, cioè l'evoluzione dell'intero universo può essere vista come un processo che oscilla intorno un "punto critico" (vedi Fig. 2).
Auto-organizzazione e dissipazione di energiaIlya Prigogine ha dimostrato che l'auto-organizzazione è una caratteristica delle strutture dissipative, vale a dire strutture che appaiono spontaneamente in presenza di un flusso di energia permanente. Gli esseri viventi o le cellule di Benard sono strutture dissipative.
Le strutture dissipative si comportano come macchine termiche: usano differenze di temperatura per produrre lavori meccanici. Secondo il secondo principio della cosiddetta termodinamica del principio di Carnot, questo è possibile solo seguendo cicli di trasformazioni. Le prime macchine termiche hanno utilizzato la transizione liquido-vapore dell'acqua per ottenere grandi variazioni di volume.
I motori automatici sono più efficienti perché utilizzano differenze di temperatura molto maggiori per produrre le stesse variazioni di volume. Tuttavia, variazioni della temperatura molto più basse sono sufficienti per produrre macchine termiche naturali come le celle di Bénard. Ciò è particolarmente vero in prossimità del punto critico in cui piccolissime differenze di temperatura producono variazioni di volume molto grandi.
Il punto critico dell'acquaLa pressione critica dell'acqua è 220 bar e la sua temperatura critica 374 ° C. In acqua salata come quella dell'oceano, il punto critico è un po 'più profondo di 2.200 m, mentre alle prese d'aria idrotermiche la temperatura supera facilmente 374 ° C.
Considerare l'acqua di una fonte idrotermale al di sotto di 2.200m e la cui temperatura è leggermente superiore a 374 ° C. La sua densità è inferiore a quella dell'acqua circostante, forma una penna convettiva. Durante la sua ascesa, la sua pressione scende. La sua temperatura rimane un momento più grande di quella del suo ambiente finché, quando diventa più fredda, scende verso la sorgente, chiudendo il circuito convettivo. Ad un certo punto, l'acqua raggiunge la zona di condensazione. Si formano sottili goccioline. L'acqua liquida viene quindi convertita lentamente e continuamente in vapore acqueo senza mai formare bolle.
Fig. 2. La superficie sopra mostra lo stato dell'acqua attorno al punto critico.
La zona grigia è la zona di condensazione.
Figura 2 mostra lo stato dell'acqua in una penna convettiva quando descrive un cerchio attorno al punto critico, come indicato dalla freccia. Mentre la transizione dallo stato liquido allo stato gassoso è continua, la transizione dallo stato gassoso allo stato liquido è improvvisa. Periodicamente, l'acqua si condensa formando sottili goccioline di acqua liquida che crescono fino a quando l'acqua diventa completamente liquida. Quindi affonda verso la sorgente idrotermica dove viene riscaldata al di sopra della temperatura critica. Viene quindi continuamente trasformato in vapore, senza mai formare bolle gassose.
La condensazione del gas nel liquido vicino al punto critico è chiamata "opalescenza critica". Vi sono fluttuazioni molto ampie della densità, una condizione favorevole per la formazione di microgocce. Nell'oceano anche altre molecole possono condensare. Le molecole polari manterranno lo stesso orientamento rispetto alla superficie della gocciolina, favorendo così i legami polari. Queste condizioni sono particolarmente favorevoli per la formazione di molecole organiche complesse.
Una possibilità di testare l'origine della vita
Sebbene le condizioni descritte sopra siano adatte alla formazione di molecole organiche complesse, la probabilità che tali reazioni si verifichino resterà bassa a meno che la stessa situazione non si ripresenti per un periodo di tempo molto lungo.
Si può stimare approssimativamente che il tempo di circolazione dell'acqua in una penna convettiva è all'ordine del giorno, mentre la vita di un vulcano sottomarino attivo è dell'ordine di un milione d anni. Le stesse condizioni sono state in grado di riprodursi diverse centinaia di migliaia di volte. È chiaro che se vogliamo ripetere questo processo in laboratorio, deve essere considerevolmente accelerato.
L'esperienza di DECLIC offre un'opportunità del genere. DECLIC è un esperimento a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Una delle versioni ha lo scopo di studiare le reazioni chimiche vicino al punto critico dell'acqua. Il suo ambiente senza peso consente di produrre le condizioni critiche in modo uniforme su tutto il volume con una precisione di tre cifre decimali. Deve essere possibile regolare queste condizioni per descrivere i cerchi attorno al punto critico in secondi anziché giorni. Rispetto alle condizioni all'origine della vita, questo accelererebbe il processo di almeno 5 ordini di grandezza, probabilmente più poiché le condizioni dell'esperimento sarebbero costantemente mantenute molto vicino al punto critico.
Se è possibile seguire la composizione chimica della camera di reazione in funzione del tempo, dovremmo essere in grado di riprodurre in pochi mesi e osservare le reazioni chimiche che hanno richiesto milioni di anni. Suggeriamo vivamente di inserire tale esperienza nel programma DECLIC.
François Roddier
1John Maynard Smith e Eörs Szathmary, Le origini della vita, Oxford (1999).
2 Ali Fallah-Araghi et al. Miglioramento della sintesi chimica nelle interfacce morbide: un meccanismo di adsorbimento a reazione universale nei microcompartimenti.
3K. Ruiz-Mirazo, C. Briones e A. de la Escosura, Chimica dei sistemi prebiotici: Nuove prospettive delle origini della vita, Chem. Rev. 114, 285 (2013).
4 Per Bak, Chao Tang e Kurt Wiesenfeld, Critica auto-organizzata: una spiegazione del rumore 1, Phys. Rev. Lettere 4, vol. 59 (1987)
5 Erich Jantsch, L'universo auto-organizzante, Pergamon (1980).
[Questa proposta è supportata da Roger Bonnet, ex direttore scientifico dell'ESA].