Come la vita potrebbe essersi evoluta dall'urea

I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Ginevra hanno sviluppato un nuovo metodo che permette di osservare le reazioni chimiche che avvengono in un liquido con una risoluzione temporale estremamente elevata: Possono studiare come le molecole cambiano nell'arco di pochi femtosecondi, cioè pochi quadrilionesimi di secondo. Il metodo si basa su un lavoro precedente degli stessi scienziati guidati da Hans Jakob W?rner, professore di chimica fisica all'ETH di Zurigo, in cui avevano già ottenuto risultati simili per le reazioni che avvengono in un ambiente gassoso.

Per poter studiare le reazioni nei liquidi utilizzando la spettroscopia a raggi X, i ricercatori hanno dovuto sviluppare un'apparecchiatura che permettesse di produrre nel vuoto un getto di liquido con un diametro inferiore a un micrometro. Questo è stato necessario perché i raggi X utilizzati per la misurazione sarebbero stati parzialmente assorbiti in un getto di liquido più ampio.

Pioniere molecolare della biochimica

I ricercatori hanno utilizzato il nuovo metodo per comprendere i processi che hanno portato alla comparsa della vita sulla Terra. Molti scienziati ritengono che l'urea abbia svolto un ruolo centrale in questo processo. ? una delle molecole più semplici che contengono sia carbonio che azoto. ? inoltre molto probabile che l'urea fosse già presente sulla Terra in epoca preistorica. Lo suggerisce anche un famoso esperimento degli anni '50: lo scienziato americano Stanley Miller espose una miscela di gas, che si presumeva corrispondesse all'atmosfera primordiale della Terra, alle condizioni di un temporale. In questo modo si produsse una serie di molecole, tra cui l'urea.

Secondo le teorie attuali, l'urea potrebbe essersi accumulata in pozze calde - il cosiddetto brodo primordiale - sulla Terra ancora inanimata: Quando l'acqua evaporava, la concentrazione di urea aumentava. Sotto l'influenza di radiazioni ionizzanti come i raggi cosmici, l'acido malonico potrebbe essersi formato da questa urea concentrata in diverse fasi di sintesi. Da qui si sarebbero potuti formare i mattoni dell'RNA e del DNA.

Perché è avvenuta esattamente questa reazione

Gli scienziati dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Ginevra hanno utilizzato il loro metodo per studiare il primo passo di questa lunga sequenza di reazioni chimiche: Come si comporta una soluzione concentrata di urea quando viene esposta a radiazioni ionizzanti.

? necessario sapere questo: In una soluzione concentrata di urea, le molecole di urea si uniscono a coppie: formano i cosiddetti dimeri. Come i ricercatori sono riusciti a dimostrare, un atomo di idrogeno si sposta da una molecola di urea all'altra all'interno di questi dimeri sotto l'influenza delle radiazioni. Le due molecole di urea formano così una molecola di urea cosiddetta protonata e un cosiddetto radicale di urea, chimicamente molto reattivo, tanto da reagire con altre molecole, tra cui l'acido malonico.

I ricercatori hanno anche potuto dimostrare che questo trasferimento di un atomo di idrogeno avviene in modo estremamente rapido e richiede solo circa 150 femtosecondi, cioè 150 quadrilionesimi di secondo. "? così veloce che questa reazione annulla tutte le altre reazioni che potrebbero teoricamente avvenire", spiega W?rner. "E questo spiega perché in una soluzione concentrata di urea si formano radicali di urea e non avvengono altre reazioni che formerebbero altre molecole".

Le reazioni nei liquidi sono molto importanti

In futuro, l'ETH W?rner e i suoi colleghi vorrebbero anche studiare le fasi successive che portano alla formazione dell'acido malonico. In questo modo, vogliono cercare di capire come è nata la vita sulla Terra.

Sarà inoltre possibile utilizzare il nuovo metodo in generale per comprendere la tempistica precisa delle reazioni chimiche nei liquidi. "Molte reazioni chimiche importanti avvengono nei liquidi, non solo tutti i processi biochimici del nostro corpo, ma anche molte sintesi chimiche rilevanti per l'industria", spiega W?rner. "Ecco perché è così importante che ora abbiamo esteso la spettroscopia a raggi X ad alta risoluzione alle reazioni nei liquidi".

Oltre ai ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Ginevra, hanno partecipato al lavoro anche quelli del German Electron Synchrotron Desy di Amburgo. Questi ultimi hanno contribuito all'interpretazione dei dati di misura con calcoli.