La forza della natura ha dato vita alla sua asimmetria

Fisici hanno trovato indizi che l’asimmetria della vita, il fatto che la maggior parte delle molecole biochimiche sono ‘mancine’ o ‘destre’, potrebbe essere stata causata dagli elettroni quando ci fu il decadimento nucleare nei primi giorni dell’evoluzione. In un esperimento durato 13 anni, i ricercatori hanno scoperto che questi elettroni tendono a distruggere certe molecole organiche più facilmente di quanto distruggono le loro immagini speculari.

Molte molecole organiche, come il glucosio e la maggior parte degli aminoacidi biologici, sono ‘chirali’. Ciò significa che essi sono diversi rispetto alle loro molecole speculari, sono proprio come un guanto sinistro e uno destro. Inoltre, in tali casi la vita tende costantemente ad utilizzare una delle versioni possibili, ad esempio, la doppia elica di DNA nella sua forma standard si come una vite destrorsa. Ma il motivo di questa preferenza è rimasto a lungo un mistero.

Molti scienziati pensano che la scelta sia stata semplicemente un caso. Forse, in uno dei caldi stagni dove è nata la vita, pieni di sostanze chimiche organiche, un colpo di fortuna statistica ha generato un piccolo squilibrio nelle relative quantità delle due versioni di un prodotto chimico. Questo piccolo squilibrio si sarebbe poi amplificato nel tempo.

Ma un’asimmetria nelle leggi della natura ha portato altri a chiedersi se qualche fenomeno fisico avrerebbe potuto far pendere la bilancia diversamente durante le prime fasi della vita. La forza nucleare debole, che è coinvolta nel decadimento nucleare, è l’unica forza della natura, nota per avere una preferenza di manualità: gli elettroni creati nel processo subatomico conosciuto come decadimento β sono sempre ‘mancini’. Questo significa che la loro rotazione, una proprietà quantistica analoga alla magnetizzazione di una barra magnetica, è sempre opposta alla direzione del moto dell’elettrone.

Nel 1967, il biochimico Frederic Vester e lo scienziato ambientale Tilo Ulbricht sostennero che i fotoni generati da questi cosiddetti elettroni spin polarizzati, che sono prodotti nel decadimento dei materiali radioattivi o delle particelle di raggi cosmici nell’atmosfera, avrebbero potuto distruggere più un tipo di molecola che un altro, creando uno squilibrio. Alcuni fisici hanno suggerito che gli elettroni stessi potrebbero essere l’origine dell’asimmetria.

Ma la caccia per trovare processi chimici attraverso i quali gli elettroni o i fotoni potrebbero preferenzialmente distruggere la versione di una molecola sulla sua immagine speculare ha ottenuto poco successo. I pochi esperimenti nei quali la manualità dell’elettrone ha prodotto uno squilibrio chirale non ha potuto identificare il processo chimico che si cela dietro di esso, dice Timothy Gay, un chimico fisico presso la University of Nebraska-Lincoln e co-autore del più recente studio. Ma individuare una reazione chimica può aiutare gli scienziati ad escludere alcune cause additate nel processo e a comprendere meglio la fisica che sta alla base di esso, aggiunge.

Gay e Joan Dreiling, fisico presso la University of Nebraska-Lincoln, hanno alimentato a bassa energia, elettroni con spin polarizzato in un gas, il bromocamphor, un composto organico usato in alcune parti del mondo come sedativo. La reazione risultante è stata la cattura di alcuni elettroni dalle molecole, che poi sono state spinte in uno stato di eccitazione. Le molecole quindi sono crollate, producendo ioni di bromuro e altri composti altamente reattivi. Misurando il flusso di ioni prodotto, i ricercatori potrebbero vedere come questa reazione si è verificata per ogni manualità dell’elettrone.

I ricercatori hanno trovato che il bromocamphor mancino era solo leggermente più propenso a reagire con elettroni destrorsi che con quelli sinistri. Il contrario si è verificato quando hanno usato le molecole di bromocamphor destre. Alle energie più basse, la direzione della preferenza si capovolgeva, causando un’asimmetria opposta.

In tutti i casi l’asimmetria era piccola, ma coerente, come lanciare una moneta truccata. “La scala di asimmetria è come se noi lanciamo ancora e ancora 20.000 monete, e in media, 10.003 volte esce testa mentre 9.997 esce croce”, dice la Dreiling.

“La bassa velocità degli elettroni era la chiave perché l’esperimento funzionasse dopo tanti anni”, dice Dreiling. “L’interazione richiede più tempo, ed è stata quella intuizione, penso, che ha portato al nostro successo,” afferma.
Il test offre una spiegazione di come un eccesso chirale potrebbe, almeno in linea di principio, sorgere, dice Gay.

“L’idea che gli elettroni di spin polarizzato potrebbero trasmettere la loro asimmetria a molecole organiche è attraente”, dice Uwe Meierhenrich, un chimico analitico presso l’Università di Nizza Sophia Antipolis in Francia. “Il piccolo effetto che Gay e Dreiling hanno osservato avrebbe dovuto essere amplificato per influenzare la chimica della vita intera, ma vi sono noti meccanismi per tale amplificazione”, egli dice. “Dal mio punto di vista, la questione principale non riguarda i processi di amplificazione, ma la prima rottura della simmetria chirale,” dice.

Meierhenrich sostiene che vorrebbe vedere l’esperimento ripetuto con molecole chirali che sono rilevanti per l’origine della vita, come gli amminoacidi, per vedere se gli elettroni mancini producono lo stesso effetto.

Anche se gli elettroni di spin polarizzati hanno prodotto la vita per diventare chiralità selettive, non è ancora chiaro cosa avrebbe prodotto tali elettroni. Fonti di particelle β includono fosforo-32 che decade in zolfo-32 o il decadimento di muoni, particelle elementari, prodotte alla fine di una catena di decadimenti che iniziano quando particelle di raggi cosmici hanno colpito l’atmosfera. In entrambi i casi, gli elettroni avrebbero viaggiato molto più velocemente che nella reazione di Gay, ma lui sostiene che è possibile per gli elettroni rallentare senza perdere la loro chiralità.

Muovendosi più lentamente gli elettroni mancini vengono prodotti in altri modi che tramite il decadimento β, dice Richard Rosenberg, un chimico del Argonne National Laboratory in Illinois. Nel 2008 lui e il suo team hanno mostrato che irradiando uno strato di ferro magnetizzato con raggi x, questo potrebbe produrre una preferenza di chiralità. La Chiralità potrebbe quindi anche essere stata creata in molecole attaccate a particelle magnetizzate in una nuvola di polvere o di una cometa, afferma.

Gay e i suoi colleghi vogliono studiare simili reazioni con varietà di molecole di canfora per capire come lo spin di un elettrone determina quale delle due molecole chirali preferisce.

L’interazione di elettroni sinistri con molecole organiche non è l’unica potenziale spiegazione per l’asimmetria chirale della vita… Meierhenrich favorisce un’alternativa, la luce polarizzata circolarmente che è prodotta dalla dispersione della luce nell’atmosfera e a stelle di neutroni. Nel 2011, Meierhenrich e colleghi hanno mostrato che tale luce potrebbe trasferire la sua manualità agli aminoacidi.

“Ma anche dimostrando che un fenomeno fisico comune avrebbe favorito gli aminoacidi mancini rispetto a quelli destri, non ci avrebbe spiegato comunque che la vita si è evoluta così”, aggiunge Laurence Barron, chimico presso l’Università di Glasgow, Regno Unito. “Non ci sono argomenti decisivi. Non lo sapremo mai.”

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