Un recente studio ha rivelato il ruolo fondamentale dell’idrogeno come fonte energetica alle origini della vita, sottolineando il suo potenziale come combustibile sostenibile. Analizzando i processi naturali che avvengono nelle sorgenti idrotermali e i meccanismi cellulari primitivi per sfruttare l’idrogeno, i ricercatori hanno ottenuto nuove intuizioni sulle origini della vita e sull’antico utilizzo dell’idrogeno come fonte energetica. Questa ricerca non solo illumina l’importanza storica dell’idrogeno, ma anche il suo futuro ruolo nell’energia sostenibile.
L’idrogeno, soprannominato l’energia del futuro, ha fornito energia fin da 4 miliardi di anni fa. Uno studio recente rivela come l’idrogeno, spesso elogiato come la fonte energetica di domani, abbia fornito energia nel passato, all’origine della vita 4 miliardi di anni fa. L’idrogeno è un combustibile pulito. Brucia con l’ossigeno nell’aria per fornire energia senza produrre CO2.
L’idrogeno è la chiave per un’energia sostenibile per il futuro. Sebbene gli esseri umani stiano solo ora iniziando a rendersi conto dei benefici dell’idrogeno (H2 in gergo chimico), i microbi hanno saputo che l’H2 è un buon combustibile fin dall’inizio della vita sulla Terra. L’idrogeno è un’energia antica.
Le prime cellule sulla Terra vivevano grazie all’H2 prodotto nelle sorgenti idrotermali, utilizzando la reazione dell’H2 con la CO2 per creare le molecole della vita. I microbi che prosperano dalla reazione dell’H2 e della CO2 possono vivere nell’oscurità totale, abitando habitat primordiali e inquietanti come le sorgenti idrotermali degli abissi o le formazioni rocciose calde nel profondo della crosta terrestre, ambienti in cui molti scienziati pensano che sia sorta la vita stessa.
Nuove sorprendenti intuizioni su come le prime cellule sulla Terra siano riuscite a sfruttare l’H2 come fonte energetica sono ora riportate in PNAS. Il nuovo studio proviene dal team di William F. Martin dell’Università di Düsseldorf e Martina Preiner dell’Istituto Max Planck (MPI) per la Microbiologia Terrestre di Marburg, con il supporto di collaboratori in Germania e Asia.
Per raccogliere energia, le cellule devono prima spingere gli elettroni dell’H2 energeticamente in salita. “È come chiedere a un fiume di scorrere in salita invece che in discesa, quindi le cellule hanno bisogno di soluzioni ingegneristiche”, spiega uno dei tre primi autori dello studio, Max Brabender.
Nelle cellule, è necessario l’intervento di diversi enzimi che inviano gli elettroni in salita a un antico e essenziale trasportatore biologico di elettroni chiamato ferredoxina. Il nuovo studio mostra che a un pH di 8,5, tipico delle sorgenti idrotermali naturalmente alcaline, “non sono richieste proteine”, spiega Buckel, coautore dello studio, “il legame H-H dell’H2 si divide sulla superficie del ferro, generando protoni che vengono consumati dall’acqua alcalina e elettroni che vengono poi facilmente trasferiti direttamente alla ferredoxina”.
Come una reazione energeticamente in salita potrebbe aver funzionato nella prima evoluzione, prima che ci fossero enzimi o cellule, è stato un enigma molto difficile. “Diverse teorie hanno proposto come l’ambiente potrebbe aver spinto gli elettroni energeticamente in salita alla ferredoxina prima dell’origine della biforcazione elettronica”, afferma Martin, “abbiamo identificato un processo che non potrebbe essere più semplice e che funziona nelle condizioni naturali delle sorgenti idrotermali”.
Dalla scoperta della biforcazione elettronica, gli scienziati hanno scoperto che il processo è sia antico che assolutamente essenziale nei microbi che vivono dall’H2. Il problema spinoso per i chimici evoluzionisti come Martina Preiner, il cui team a Marburg si concentra sull’impatto dell’ambiente sulle reazioni che i microbi utilizzano oggi e che forse utilizzavano all’origine della vita, è: come è stato sfruttato l’H2 per i percorsi di fissazione della CO2 prima che ci fossero proteine complicate?
“Le risposte vengono dai metalli”, afferma, “all’inizio della vita, i metalli in condizioni ambientali antiche possono inviare gli elettroni dell’H2 in salita, e possiamo vedere i resti di quella chimica primordiale conservati nella biologia delle cellule moderne”. Ma i metalli da soli non sono sufficienti. “Anche l’H2 deve essere prodotto dall’ambiente”, aggiunge la co-prima autrice Delfina Pereira dal laboratorio di Preiner. Tali ambienti si trovano nelle sorgenti idrotermali, dove l’acqua interagisce con le rocce contenenti ferro per produrre H2, e dove i microbi vivono ancora oggi da quell’idrogeno come loro fonte di energia.
Le sorgenti idrotermali, sia moderne che antiche, generano H2 in quantità così elevate che il gas può trasformare i minerali contenenti ferro in ferro metallico lucido.
“Che l’idrogeno possa trasformare i minerali in ferro metallico non è un segreto”, afferma Harun Tüysüz, esperto di materiali ad alta tecnologia presso il Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheim e coautore dello studio. ”Molti processi nell’industria chimica utilizzano l’H2 per produrre metalli dai minerali durante la reazione”. La sorpresa è che anche la natura fa questo, soprattutto nelle sorgenti idrotermali, e che questo ferro depositato naturalmente potrebbe aver avuto un ruolo cruciale all’origine della vita.
Il ferro è stato l’unico metallo identificato nel nuovo studio in grado di inviare gli elettroni dell’H2 in salita alla ferredoxina. Ma la reazione funziona solo in condizioni alcaline come quelle di un certo tipo di sorgenti idrotermali.
Natalia Mrnjavac del gruppo di Düsseldorf e co-prima autrice dello studio sottolinea: “Questo si adatta bene alla teoria che la vita sia sorta in tali ambienti. La cosa più eccitante è che reazioni chimiche così semplici possono colmare un’importante lacuna nella comprensione del complesso processo delle origini, e che possiamo vedere quelle reazioni funzionare sotto le condizioni delle antiche sorgenti idrotermali in laboratorio oggi”.
