L’importanza delle sorgenti idrotermali nell’evoluzione dei processi bioenergetici
I gradienti ionici naturali presenti nei fondali oceanici a livello dei cammini delle fumarole idrotermali potrebbero essere all’origine dell’evoluzione delle reazioni energetiche fondamentali per la vita
Se pensiamo all’origine degli organismi viventi, viene naturale rivolgere la propria attenzione alla comprensione di come si siano formate le prime cellule. Questo processo però è strettamente legato al chiarimento di come queste prime forme di vita siano state in grado di ottenere l’energia necessaria al proprio sostentamento.
In un articolo comparso nella sezione Perspectives di Science, ricercatori dell’Università di Düsseldorf e dello University College di Londra, hanno utilizzato i dati a disposizione per speculare una possibile evoluzione dei processi bioenergetici. Esistono due principali meccanismi attraverso i quali le cellule possono ottenere energia. Il primo, detto fosforilazione a livello del substrato, permette di raccogliere l’energia proveniente da composti che contengono gruppi fosfato altamente reattivi, generati a partire dalla conversione di composti del carbone. Il secondo meccanismo invece coinvolge la formazione di gradienti ionici ed è chiamato accoppiamento chemiosmotico. In questo caso una reazione che rilascia energia è accoppiata con il trasporto di ioni fuori dalla cellula. Il passaggio finale di entrambi questi processi coinvolge l’ATP o Adenosina Trifosfato, la molecola che è universalmente utilizzata in tutte le reazioni bioenergetiche. Nella sua forma ad alto livello energetico questo composto contiene tre gruppi fosfato, la cessione di uno di questi gruppi genera energia e produce l’Adenosina Difosfato (ADP) con soli due gruppi fosfato, la forma a più basso livello energetico. Tutti i processi bioenergetici usati dalle cellule hanno quindi come scopo finale la fosforilazione (aggiunta di un gruppo fosfato) dell’ADP, generando ATP, la cui energia verrà utilizzata dalla cellula per le proprie reazioni metaboliche.
Gli studiosi sono partiti dal presupposto che le prime cellule in grado di utilizzare energia per il proprio metabolismo si fossero sviluppate in ambienti anaerobici, si sono quindi concentrati sui processi bioenergetici in assenza di ossigeno. Tra i gruppi di organismi anaerobici più ancestrali figurano gli Archei metanogeni e i Batteri acetogeni (che producono cioè, rispettivamente, metano e acetone come sottoprodotto metabolico). Entrambi sono presenti a livello delle sorgenti idrotermali profonde dove l’energia geotermica avrebbe potuto offrire alle prime forme di vita una possibilità di sfruttamento per i propri processi vitali. Per questo motivo l’interesse dei ricercatori si è recentemente concentrato sullo studio di questi particolari habitat.
Le bocche idrotermali più comuni sono chiamate “fumarole nere” in quanto i depositi di minerali intorno ai cammini sono molto scuri. In queste fumarole l’acqua ha un pH molto acido e la loro attività dura solo alcune dozzine di anni. Una durata temporale troppo breve per permettere l’evoluzione di qualunque meccanismo. Le fumarole nere sono rimaste per lungo tempo le uniche sorgenti conosciute, fino all’inizio del 2000 quando una spedizione della National Science Foundation, ha descritto per la prima volta, nell’Oceano Atlantico del Nord, una formazione geotermale chiamata Lost City. Si tratta di sorgenti in cui l’acqua ha un pH basico, i depositi di sali danno una tipica colorazione bianca, ma ancora più importante, la loro durata è stata datata nell’ordine di 100.000 anni. Le fumarole bianche possono quindi aver fornito l’ambiente ideale per lo sfruttamento dell’energia geotermale da parte dei primi organismi e aver favorito una conseguente evoluzione dei processi bioenergetici.
Lo studio della geochimica di Lost City ha permesso di capire come vi sia un gradiente protonico naturale del tutto simile a quello presente nelle attuali cellule autotrofe, in grado cioè di sfruttare l’energia proveniente dalla luce (come nelle piante e nelle alghe) o da reazioni chimiche. La presenza di tale gradiente offre la possibilità di speculare che il suo sfruttamento da parte dei primi organismi abbia portato all’evoluzione delle proteine che sono poi diventate necessarie per la generazione dell’ATP.
La ricerca sull’origine della vita fino ad ora si è focalizzata sulle reazioni chimiche di sintesi o sul mondo dell’RNA, tralasciando invece lo studio delle reazioni a rilascio energetico necessarie alla sopravvivenza delle prime forme di vita. Le sorgenti geotermiche offrono la possibilità di confrontare geochimica e microbiologia per capire la genesi dei processi bioenergetici alla base della sopravvivenza di tutte le forme di vita.
Riferimenti:
In un articolo comparso nella sezione Perspectives di Science, ricercatori dell’Università di Düsseldorf e dello University College di Londra, hanno utilizzato i dati a disposizione per speculare una possibile evoluzione dei processi bioenergetici. Esistono due principali meccanismi attraverso i quali le cellule possono ottenere energia. Il primo, detto fosforilazione a livello del substrato, permette di raccogliere l’energia proveniente da composti che contengono gruppi fosfato altamente reattivi, generati a partire dalla conversione di composti del carbone. Il secondo meccanismo invece coinvolge la formazione di gradienti ionici ed è chiamato accoppiamento chemiosmotico. In questo caso una reazione che rilascia energia è accoppiata con il trasporto di ioni fuori dalla cellula. Il passaggio finale di entrambi questi processi coinvolge l’ATP o Adenosina Trifosfato, la molecola che è universalmente utilizzata in tutte le reazioni bioenergetiche. Nella sua forma ad alto livello energetico questo composto contiene tre gruppi fosfato, la cessione di uno di questi gruppi genera energia e produce l’Adenosina Difosfato (ADP) con soli due gruppi fosfato, la forma a più basso livello energetico. Tutti i processi bioenergetici usati dalle cellule hanno quindi come scopo finale la fosforilazione (aggiunta di un gruppo fosfato) dell’ADP, generando ATP, la cui energia verrà utilizzata dalla cellula per le proprie reazioni metaboliche.
Gli studiosi sono partiti dal presupposto che le prime cellule in grado di utilizzare energia per il proprio metabolismo si fossero sviluppate in ambienti anaerobici, si sono quindi concentrati sui processi bioenergetici in assenza di ossigeno. Tra i gruppi di organismi anaerobici più ancestrali figurano gli Archei metanogeni e i Batteri acetogeni (che producono cioè, rispettivamente, metano e acetone come sottoprodotto metabolico). Entrambi sono presenti a livello delle sorgenti idrotermali profonde dove l’energia geotermica avrebbe potuto offrire alle prime forme di vita una possibilità di sfruttamento per i propri processi vitali. Per questo motivo l’interesse dei ricercatori si è recentemente concentrato sullo studio di questi particolari habitat.
Le bocche idrotermali più comuni sono chiamate “fumarole nere” in quanto i depositi di minerali intorno ai cammini sono molto scuri. In queste fumarole l’acqua ha un pH molto acido e la loro attività dura solo alcune dozzine di anni. Una durata temporale troppo breve per permettere l’evoluzione di qualunque meccanismo. Le fumarole nere sono rimaste per lungo tempo le uniche sorgenti conosciute, fino all’inizio del 2000 quando una spedizione della National Science Foundation, ha descritto per la prima volta, nell’Oceano Atlantico del Nord, una formazione geotermale chiamata Lost City. Si tratta di sorgenti in cui l’acqua ha un pH basico, i depositi di sali danno una tipica colorazione bianca, ma ancora più importante, la loro durata è stata datata nell’ordine di 100.000 anni. Le fumarole bianche possono quindi aver fornito l’ambiente ideale per lo sfruttamento dell’energia geotermale da parte dei primi organismi e aver favorito una conseguente evoluzione dei processi bioenergetici.
Lo studio della geochimica di Lost City ha permesso di capire come vi sia un gradiente protonico naturale del tutto simile a quello presente nelle attuali cellule autotrofe, in grado cioè di sfruttare l’energia proveniente dalla luce (come nelle piante e nelle alghe) o da reazioni chimiche. La presenza di tale gradiente offre la possibilità di speculare che il suo sfruttamento da parte dei primi organismi abbia portato all’evoluzione delle proteine che sono poi diventate necessarie per la generazione dell’ATP.
La ricerca sull’origine della vita fino ad ora si è focalizzata sulle reazioni chimiche di sintesi o sul mondo dell’RNA, tralasciando invece lo studio delle reazioni a rilascio energetico necessarie alla sopravvivenza delle prime forme di vita. Le sorgenti geotermiche offrono la possibilità di confrontare geochimica e microbiologia per capire la genesi dei processi bioenergetici alla base della sopravvivenza di tutte le forme di vita.
Riferimenti:
William F. Martin et al. Energy at life’s origin. 2014. Science: Vol. 344 no. 6188 pp. 1092-1093. DOI: 10.1126/science.1251653
Immagine: fonte Wikimedia Commons
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