L’importanza di un mezzo fluido e dell’acqua nell’origine della Vita

Possiamo affermare con quasi assoluta certezza che una frazione più che significativa degli organismi presenti sulla Terra sia composta da molecole di acqua allo stato liquido. Noi siamo composti in percentuale dal 70% di H2O. Questa molecola compone quindi il substrato fluido degli esseri viventi. L’acqua o comunque un mezzo fluido, è indispensabile per permettere il funzionamento dei processi biochimici metabolici e permettere la formazione di strutture come la membrana fosfolipidica negli organismi terrestri. L’acqua è sulla Terra l’unica molecola di quelle più comuni ad essere in fase liquida alle temperature presenti sulla superficie terrestre. La vita sul nostro pianeta si serve dell’acqua allo stato liquido solo perché questa è abbondante e disponibile oppure questa molecola possiede delle particolari proprietà chimico-fisiche che la rendono potenzialmente ideale per ogni tipo di vita e biologia?

Alcune proprietà dell’acqua

L’acqua, come ormai ben sappiamo, è un ottimo solvente di tutte le molecole definite polari, questo perché anch’essa possiede una polarità intrinseca. Sui suoi due atomi di idrogeno è presente una parziale carica positiva che si differenzia dalla carica negativa parziale presente sull’ossigeno. Essendo inoltre una molecola tridimensionale priva di piani di simmetria le sue cariche si trovano separate in due distretti, uno positivo ed uno negativo. L’ acqua può quindi essere definita un dipolo. Le molecole polari quando si trovano immerse in acqua vengono solvatate, ossia si forma intorno a loro una sorta di guscio o nube di molecole di H2O che si orientano in funzione della carica della molecola.

Le molecole polari solvatate si trovano così in grado di muoversi liberamente ed interagire tra loro in modo da far avvenire le reazioni necessaria al metabolismo cellulare. La libertà di movimento di queste molecole si ha grazie al fatto che l’acqua è in grado di formare associazioni chimiche deboli mediante i propri legami ad idrogeno, con una forza di solo il 5%-10% di un legame covalente ordinario.

coesione ed adesione
Figura 1 – L’acqua è il solvente più abbondante sul pianeta Terra

La presenza di molecole nonché soluti all’interno di un solvente acquoso permette inoltre la fondamentale capacità di stabilire e formare gradienti di concentrazione. Questi possono esseri usati per far variare le concentrazioni delle specie chimiche in gioco in una reazione tra i vari compartimenti cellulari. La chemiosmosi è forse l’esempio più lampante di meccanismo fisiologico basato su gradienti chimici. Altri esempi li possiamo trovare nel campo della medicina come nella dialisi peritoneale.

L’antipatia intrinseca dell’acqua

Le molecole di acqua non formano tuttavia legami con le molecole definite a-polari o idro-fobiche. Questo poiché le molecole polari respingono elettrostaticamente quelle apolari. Per massimizzare il numero di legami ad idrogeno le molecole, ad esempio, di acqua preferiscono legarsi tra esse escludendo così le molecole apolari che a questo punto sono obbligate ad associarsi tra loro. Questo particolare fenomeno è alla base della formazione delle micelle e delle membrane biologiche. Una formazione definita spontanea. Io la chiamerei giocosamente “antipatia intrinseca dell’acqua”.  

Secondo Arrhenius

Un’altra particolarità dell’acqua è che questa si può comportare sia da acido che da base di Arrhenius, essendo in grado di dissociarsi nei suoi costituenti H+ ed OH. In realtà lo ione H+ che fondamentalmente è un protone, nella dissociazione dell’acqua si trova in forma di H3O+ ossia ione idronio. La dissociazione dell’acqua nei suoi costituenti chimici le permette quindi di partecipare alle reazioni metaboliche fornendo anioni ossidrile e cationi idronio. Inoltre, l’acqua possiede un alto calore specifico, che nel caso degli organismi viventi viene usato per stabilizzare la temperatura interna.

L’H2O possiede anche un’enorme forza di coesione tra le sue molecole ed un certo grado di forza di adesione con le molecole del recipiente in cui si trova, sia questo vetro, cellulosa, etc. La presenza di queste forze permette all’acqua di risalire e fluire lungo un organismo vivente anche superando la forza di gravita. Questo fenomeno, definito capillarità si può riscontrare nelle piante, in cui l’acqua è in grado di risalire dalle radici fino alle foglie. Lo stesso fenomeno si può osservare immergendo un pezzetto di carta assorbente in acqua e osservando come quest’ultima risale rapidamente tra le maglie del tessuto.

Il mezzo fluido in astrobiologia

L’acqua è quindi un solvente che pare adatto per svolgere un ruolo centrale nella chimica biologica. In campo astrobiologico, tuttavia, non ci si può fermare al primo solvente plausibile nonchè il piu’ comodo, ma è necessario cercare altri candidati ipotetici che possano in qualche modo sostenere la vita. Come si fa? Si prende come riferimento l’acqua e si cercano altre molecole con caratteristiche chimico-fisiche simili.

Vediamo insieme qualche parametro da ricercare. Una prima caratteristica di cui tenere conto è quella che possiamo definire ΔTliq, ossia l’intervallo di temperatura in cui il solvente si trova in fase liquida. Questo valore si trova tra il punto di fusione Tfus ed il punto di ebollizione Tebol. Ricordiamo che la Tfus dell’acqua si trova a 0 gradi centigradi mentre la Tebol si trova a 100 gradi centigradi quando la pressione è 1 atm. Le temperature da analizzare vanno tenute in conto in funzione anche della pressione. Di norma si prende in considerazione come valore di P, 1 bar. Un altro parametro a cui si dedica una particolare attenzione è l’entalpia di vaporizzazione ΔHvap, la quale fornisce un’indicazione della capacità termica in prossimità del punto di ebollizione.

Altri candidati

Viene dato per scontato, ma in ogni caso anche l’abbondanza con cui un particolare composto si trova nell’universo riveste un fattore cruciale. Confrontando diversi solventi sia polari che apolari, ad oggi ci sono diverse molecole candidate che possono prendere atto come mezzo fluido nello sviluppo della vita. Tra questi: ammoniaca (NH3), acido cianidrico (HCN), acido fluoridrico (HF), acido solfidrico (H2S), metanolo (CH3OH), idrazina (N2H4), metano (CH4) ed etano (C2H6). Tutti questi possiedono diversi valori di peso molecolare, densità, momento di dipolo, punto di fusione ed ebollizione, etc. Tuttavia, potrebbero essere dei candidati solventi per la vita extra-terrestre poiché possiedono delle caratteristiche che in qualche modo potrebbero essere compatibili con la vita. Notiamo che tutti i composti presentati per la maggior parte delle forme di vita terrestri sono mortali in basse o alte concentrazioni. L’idrazina, ad esempio, è un liquido incolore corrosivo, tossico e cancerogeno. Ad appena 20 gradi Celsius i vapori possono raggiungere concentrazioni di 3-5 ppm ossia i valori della soglia olfattiva umana per questo composto. L’aria viene definita contaminata dall’idrazina già dopo 1 ppm. A temperature più elevate, ossia dopo i 35 gradi Celsius, la miscela aria-vapori di N2H4 rischia di diventare esplosiva. Come ci accorgiamo organoletticamente della presenza di questo composto? I primi sintomi vengono dati dal suo potere corrosivo, quindi, bruciore, tosse, difficoltà respiratoria, etc. Da un punto di vista fisiologico l’idrazina attacca il fegato, i reni ed il sistema nervoso centrale con conseguente nausea, confusione, stordimento, stati di incoscienza, edema polmonare e poi morte. Nulla comunque vieta che qualcosa che risulti mortale per noi non possa dare origine a forme di vita altrove.

idrocarburi
Figura 2 – Potrebbero esistere numerosi altri solventi oltre l’acqua per garantire l’origine della vita nel mezzo fluido

Entriamo nel dettaglio di un paio di questi candidati. Partiamo dall’acido fluoridrico che all’apparenza sembra la molecola meno adatta nei contesti vitali. È un acido forte noto per sciogliere anche il vetro. La sua polarità supera quella dell’acqua essendo il fluoro l’elemento più elettronegativo della tavola periodica. L’intervallo in fase liquida è altrettanto grande di quello dell’acqua. È noto che in funzione delle abbondanze solari, HF sia quattro ordini di grandezza meno abbondante di H2O (in breve ce n’è quattro volte meno) per cui una biochimica ipotetica basata sull’acido fluoridrico potrebbe esistere ma solo in una nicchia ambientale ricca di HF, nella quale ci sia stato per qualche motivo un arricchimento di fluoro. Passiamo al secondo esempio, l’ammoniaca. Anche questo composto è quasi altrettanto polare dell’acqua, tuttavia, una biochimica ammoniacale dovrebbe avvenire a temperature inferiori rispetto a quelle terrestri ed anche in un intervallo di temperature più minuto. Cosa implica un T più bassa? Una minor velocità di reazione, quindi forse la necessità di possedere catalizzatori diversi (enzimi con una efficienza catalitica ancora più stupefacente di quella che possiedono quelli terrestri). In ultima analisi, il fatto di avere un range minore di temperature implica che una possibile forma di vita con un substrato ad ammoniaca è fortemente limitata dalle escursioni termiche.

Nel caso il solvente fosse apolare la situazione si fa alquanto strana. Prendiamo ad esempio il metano. Questo composto potrebbe essere abbondante in molti pianeti, tuttavia, il suo intervallo liquido è molto ristretto, il che vincola fortemente gli eventuali organismi alle variazioni ambientali. Su Titano, satellite di Saturno, si possono ritrovare esattamente queste condizioni ambientali. Come si potrebbe formare però una ipotetica membrana in un solvente apolare? Ad oggi è stata portata avanti dal professor Martin Rahm, la teoria degli azotosomi, i quali sono ancora oggetto di studio.

Fonti

Figure: https://pixabay.com/it/images/search/acqua/

Articolo: https://www.liebertpub.com/doi/full/10.1089/ast.2020.2334

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