I ricercatori del Max Planck Institute for Astronomy e della Ludwig Maximilians University di Monaco hanno affrontato in una nuova ricerca lo sviluppo della vita sulla Terra. Con alcuni esperimenti, hanno dimostrato come le particelle di ferro provenienti da meteore e ceneri vulcaniche avrebbero potuto servire da catalizzatori nella produzione dei tasselli fondamentali alla vita.

La presenza di tali sostanze accelera reazioni chimiche specifiche, senza però che esse si esauriscano nelle reazioni stesse. Sono simili, ad esempio, agli strumenti utilizzati per produrre un’automobile: una volta completata l’auto, gli strumenti possono ancora essere utilizzati.

Le particelle di ferro, fungendo da catalizzatori, avrebbero convertito un’atmosfera primordiale, ricca di anidride carbonica, in un’atmosfera composta anche da idrocarburi, acetaldeide e formaldeide. Tali composti chimici potrebbero essere alla base dell’originarsi della vita, in quanto costituiscono acidi grassi, basi azotate, zuccheri e amminoacidi.

Dalla chimica industriale agli inizi della vita sulla Terra

La vita sulla Terra sembra essere emersa solo tra 400 a 700 milioni di anni dopo la formazione del pianeta stesso, risalente a 4.5 miliardi di anni fa. Si tratta di uno sviluppo abbastanza rapido. Infatti, per fare un confronto, si consideri che in seguito ci sono voluti circa 2 miliardi di anni perché si formassero le prime cellule eucariotiche vere e proprie.

Il primo passo verso l’emergere della vita è la formazione di molecole organiche, che possono servire da elementi costitutivi per gli organismi. Data la rapidità con cui è sorta la vita stessa, sarebbe plausibile che  questo primo passo sia stato completato rapidamente, grazie all’aiuto di un catalizzatore, per l’appunto.

L’ispirazione chiave per questo nuovo studio ha avuto origine nella chimica industriale. Oliver Trapp, uno dei primi autori della ricerca, si è chiesto se il cosiddetto processo Fischer-Tropsch per convertire il monossido di carbonio e l’idrogeno in idrocarburi in presenza di catalizzatori metallici potrebbe aver avuto un analogo su una Terra primordiale, con un’atmosfera ricca di anidride carbonica.

Il Fisher-Tropsch è un processo industriale utilizzato per produrre combustibili sintetici a partire da miscele gassose di monossido di carbonio e idrogeno. Esso usa ferro, cobalto o nichel come catalizzatori.

Trapp ha spiegato che ha pensato all’azione catalitica delle sostanze meteoritiche, quando ho osservato la composizione chimica dei meteoriti ferrosi del gruppo Campo del Cielo. Essi, infatti, sono costituiti da ferro, nichel, un po’ di cobalto e minuscole quantità di iridio, come un perfetto catalizzatore Fischer-Tropsch.

Dmitry Semenov, del Max Planck Institute for Astronomy, ha dichiarato:

Quando Oliver mi ha parlato della sua idea di studiare sperimentalmente le proprietà catalitiche delle particelle di meteorite di ferro per sintetizzare i mattoni per la vita, il mio primo pensiero è stato che dovremmo anche studiare le proprietà catalitiche delle particelle di cenere vulcanica. Dopotutto, la Terra primordiale avrebbe dovuto essere geologicamente attiva. Avrebbero dovuto esserci molte particelle fini di cenere nell’atmosfera e sulle prime masse terrestri della Terra.

Ricreare la catalisi cosmica

Sophia Peters, studentessa di dottorato al Max Planck Institute, ha condotto gli esperimenti di verifica. Per l’accesso a meteoriti e minerali, nonché per la competenza nell’analisi di tali materiali, Peters ha collaborato con il mineralogista Rupert Hochleitner, esperto di meteoriti presso la Mineralogische Staatssammlung di Monaco.

Il primo ingrediente necessario per gli esperimenti di Peters era una fonte di particelle di ferro. Queste particelle sono state prelevate direttamente da meteoriti ferrosi, o dalle ceneri dell’Etna. Tuttavia, per ricostruire le condizioni della Terra primordiale, Peters e Hochleitner hanno dovuto selezionare solo uno specificato range di dimensioni per queste particelle:

•  Micrometriche, se si formano direttamente attraverso la frammentazione della meteora in atmosfera, dovuta all’attrito.
• Nanometriche, se sono forgiate quando il ferro evapora, a causa del calore intenso, e successivamente si condensa nuovamente nell’aria circostante.

I ricercatori hanno dunque riprodotto solamente queste due varietà di dimensioni delle particelle. In particolare, dissolvendo il materiale meteorico in acido, hanno prodotto particelle di dimensioni nanometriche. In seguito, mettendo il materiale meteoritico o la cenere vulcanica in un mulino a sfere per 15 minuti, hanno prodotto particelle micrometriche. Tale strumento è composto da un recipiente contenente molte sfere d’acciaio e nel quale viene inserito il materiale ferroso. Dopo di che, esso viene azionato e le sfere iniziano a ruotare ad altissima velocità per macinare il materiale.

I ricercatori hanno poi proseguito con reazioni chimiche che avrebbero rimosso quasi tutto l’ossigeno dalla miscela, in quanto l’atmosfera iniziale della Terra non conteneva ossigeno.

La creazione delle molecole della vita

Come ultimo passo, in ogni versione dell’esperimento, la miscela è stata portata in una camera a pressione riempita con anidride carbonica e molecole di idrogeno. Le loro quantità sono state scelte in modo da simulare l’atmosfera della Terra primordiale.

I risultati sono stati impressionanti: grazie al catalizzatore di ferro sono stati prodotti composti organici come metanolo, etanolo e acetaldeide, ma anche formaldeide. Questi ultimi due sono elementi costitutivi importanti per gli acidi grassi, le basi azotate (tasselli fondamentali del DNA), gli zuccheri e gli amminoacidi.

È importante sottolineare che queste reazioni hanno avuto luogo con successo in una varietà di condizioni di pressione e temperatura. I valori di questi parametri infatti sono stati cambiati ogni volta, così da sperimentare diverse condizioni. Peters ha spiegato:

Poiché ci sono molte diverse possibilità per le proprietà della Terra primordiale, ho provato a testare sperimentalmente ogni possibile scenario. Alla fine, ho utilizzato cinquanta diversi catalizzatori e ho eseguito l’esperimento a vari valori di pressione, temperatura e rapporto tra anidride carbonica e molecole di idrogeno. Il fatto che le molecole organiche si siano formate in una tale varietà di condizioni è una forte indicazione che reazioni come queste potrebbero aver avuto luogo sulla Terra primordiale, qualunque siano le sue precise condizioni atmosferiche.

Visti i risultati sorprendenti, questo meccanismo si unisce immediatamente alla lista degli scenari più probabili per lo sviluppo della vita sulla Terra. Tra essi abbiamo anche la sintesi organica vicino a bocche calde sul fondo dell’oceano, e le scariche elettriche in un’atmosfera ricca di metano.

Lo studio sarà pubblicato su Scientific Reports.