Senza le membrane microscopiche delle bolle, la chimica della vita non avrebbe mai potuto organizzarsi in forme complesse.
Una bolla di sapone è una struttura che nasce perché alcune interazioni molecolari vengono perse quando l’acqua forma una superficie. Nel volume di un liquido, ogni molecola d’acqua è circondata da altre molecole d’acqua e può stabilire con esse legami di tipo ben definito, in particolare legami a idrogeno. Questi legami non sono rigidi, ma si formano e si rompono continuamente, mantenendo però una rete compatta e stabile. Quando una molecola d’acqua si trova sulla superficie, una parte di questi legami non può più formarsi, perché al di là della superficie non c’è altra acqua. La molecola perde quindi una parte delle interazioni che la stabilizzano nel volume del liquido.
Questa perdita di interazioni ha una conseguenza misurabile: mantenere una superficie richiede energia. Più grande è la superficie, maggiore è l’energia necessaria per mantenerla. Per questo motivo, un liquido tende spontaneamente a ridurre la propria superficie quando può. Una goccia isolata assume una forma sferica perché, a parità di volume, la sfera è la forma che espone la minore superficie possibile.
Una bolla di aria immersa in acqua sarebbe instabile proprio per questo motivo: introdurrebbe una nuova superficie acqua–aria, aumentando il numero di molecole d’acqua che hanno perso parte delle loro interazioni. La bolla collasserebbe immediatamente se non intervenisse un altro fattore. Questo fattore è la presenza di molecole capaci di compensare almeno in parte la perdita di interazioni sulla superficie.
Le molecole che svolgono questo ruolo sono chiamate tensioattivi. Un tensioattivo possiede una struttura divisa in due parti con proprietà chimiche diverse. Una parte è in grado di formare interazioni favorevoli con l’acqua, per esempio legami a idrogeno o interazioni elettrostatiche; l’altra parte non è in grado di farlo. Quando un tensioattivo raggiunge una superficie acqua–aria, la sua parte compatibile con l’acqua si dispone verso l’acqua, mentre la parte incompatibile si orienta verso l’aria. In questo modo, alcune delle interazioni perse dall’acqua sulla superficie vengono sostituite da nuove interazioni fra acqua e tensioattivo. La superficie diventa meno costosa dal punto di vista energetico e può persistere.
Una bolla di sapone è quindi una pellicola d’acqua in cui le superfici sono stabilizzate da uno strato di tensioattivi. La bolla non è una struttura solida: è un equilibrio dinamico in cui la perdita di interazioni acqua–acqua sulla superficie è parzialmente compensata dalla formazione di interazioni acqua–tensioattivo.
La stessa logica si applica quando non c’è aria, ma solo acqua. In una soluzione acquosa, una molecola che presenta una parte compatibile con l’acqua e una parte incompatibile crea una situazione analoga a quella di una superficie. La parte incompatibile dell’acqua non può formare legami a idrogeno con le molecole d’acqua circostanti; l’acqua vicina perde quindi una parte delle interazioni che stabilizzano il liquido. Se molte molecole di questo tipo sono presenti, il sistema riduce la perdita complessiva di interazioni facendo sì che le parti incompatibili si avvicinino tra loro, limitando la quantità di superficie “problematicamente esposta” all’acqua.
Da questo processo emergono strutture ordinate: aggregati sferici, lamine, vescicole. Una vescicola è una bolla d’acqua in acqua, delimitata da un doppio strato di molecole anfifiliche. All’interno e all’esterno c’è acqua, ma le due regioni sono separate da una sottile barriera in cui le interazioni sono diverse. In quel momento compare una distinzione fisica stabile fra un interno e un esterno.
Su scale molecolari e sub-micrometriche, la compartimentazione emerge come una configurazione ricorrente della materia quando sono presenti tre ingredienti molto comuni: acqua o altri solventi polari, carbonio e una chimica sufficientemente varia. Questa combinazione non rappresenta un’eccezione locale, ma una condizione diffusa nei contesti chimici dell’universo osservabile.
Il carbonio è uno degli elementi più abbondanti capaci di formare legami stabili e strutture complesse. Nei contesti astrochimici e planetari in cui è presente, tende a combinarsi con pochi elementi altrettanto comuni – in particolare ossigeno, azoto e idrogeno – generando una grande varietà di composti organici. Una parte significativa di questi composti presenta una distribuzione disomogenea delle proprietà chimiche lungo la molecola: alcune regioni interagiscono facilmente con solventi polari, altre molto meno. Questa asimmetria strutturale non richiede processi sofisticati. È una conseguenza diretta della chimica del carbonio quando opera in ambienti energeticamente attivi.
“La bolla non è una struttura solida: è un equilibrio dinamico in cui la perdita di interazioni acqua–acqua sulla superficie è parzialmente compensata dalla formazione di interazioni acqua–tensioattivo”.
L’acqua, a sua volta, è una delle molecole più abbondanti nell’universo e la sua struttura interna, mantenuta da legami a idrogeno, rende il suo comportamento altamente sensibile al tipo di molecole con cui entra in contatto. Qualunque specie chimica introdotta in acqua viene “valutata” in termini di compatibilità con questa rete dinamica di interazioni. Molecole o porzioni di molecole che possono stabilire interazioni simili a quelle acqua–acqua si integrano senza perturbare significativamente il sistema; altre introducono una perturbazione locale che il sistema tende a confinare.
Questa dinamica è generale. Non dipende da una specifica storia chimica, né da un contesto planetario particolare. Ovunque coesistano acqua liquida e una miscela organica sufficientemente ricca, la probabilità che compaiano molecole con comportamento chimico disomogeneo è elevata. E ovunque queste molecole siano presenti in numero sufficiente, il sistema evolve verso configurazioni in cui tali disomogeneità vengono organizzate spazialmente. Superfici molecolari, aggregati, microdomini e compartimenti emergono come soluzioni stabili a un problema fisico semplice: ridurre il costo energetico delle interazioni sfavorevoli.
Per questo motivo, strutture di separazione su piccola scala non sono eventi rari né legati a condizioni eccezionali. Sono espressioni ripetute della stessa fisica, che si manifestano ogni volta che la chimica del carbonio opera in un mezzo polare. Questa ubiquità vale sia per compartimenti generati direttamente in soluzione, sia per spazi confinati forniti dalla materia solida. Porosità, fratture e microcavità presenti in materiali minerali creano volumi delimitati su scale confrontabili con quelle molecolari. In tali spazi, le molecole si accumulano e reagiscono in modo localmente distinto dal contesto circostante.
Questi compartimenti solidi funzionano come microreattori: limitano la diffusione, aumentano le concentrazioni locali e introducono superfici chimicamente attive. La loro presenza è altrettanto diffusa quanto quella delle strutture anfifiliche, perché deriva dalla normale organizzazione della materia solida. Tuttavia, la loro geometria rimane imposta dalla struttura che li ospita e non risponde alla chimica interna.
Ma, in condizioni simili a quelli della Terra primordiale e chissà quanti altri posti nell’universo, questi non sono gli unici ambienti in grado di isolare un contenuto e funzionare da microreattori chimici.
Una molecola anfifilica è una molecola che contiene, nella stessa struttura, due regioni con comportamento chimico distinto nei confronti dell’acqua. Una regione è polare, cioè presenta gruppi chimici capaci di stabilire interazioni elettrostatiche o legami a idrogeno con l’acqua; l’altra regione è apolare, composta in genere da catene di atomi di carbonio e idrogeno, che non possono stabilire tali interazioni. Quando molecole di questo tipo si trovano disperse in acqua, la loro presenza altera localmente l’equilibrio delle interazioni che mantengono la struttura del solvente.
Al crescere della concentrazione di molecole anfifiliche, il sistema evolve verso configurazioni in cui le regioni apolari vengono concentrate e schermate dal contatto con l’acqua, mentre le regioni polari restano esposte. Il primo tipo di struttura che compare in queste condizioni è la micella. Una micella è un aggregato sferico formato da decine o centinaia di molecole anfifiliche, organizzate in modo tale che le parti apolari si trovino al centro e le parti polari siano rivolte verso l’esterno, a contatto con l’acqua. La micella crea un microambiente interno distinto dal solvente, in grado di accogliere molecole apolari o poco solubili in acqua. Questo tipo di compartimento è dinamico: le molecole anfifiliche entrano ed escono continuamente dall’aggregato, che esiste solo sopra una certa concentrazione critica.
Un secondo livello di organizzazione compare quando la geometria delle molecole anfifiliche favorisce la formazione di lamine invece che di aggregati sferici. In questo caso si forma un doppio strato: due fogli di molecole affiancati, con le parti apolari rivolte l’una verso l’altra e le parti polari rivolte verso l’acqua. Un doppio strato esteso presenta bordi esposti in cui le parti apolari entrano in contatto con l’acqua, una situazione energeticamente sfavorevole. Per eliminare questi bordi, la lamina tende a chiudersi su sé stessa, formando una vescicola. Una vescicola è un compartimento chiuso che racchiude un volume acquoso separato dall’ambiente esterno da una membrana sottile.
La membrana anfifilica è una fase materiale distinta dall’acqua. Ha uno spessore dell’ordine di pochi nanometri ed è fluida, nel senso che le molecole che la compongono possono muoversi lateralmente e scambiarsi con la soluzione circostante. Questa fluidità permette alla membrana di deformarsi, di incorporare nuove molecole anfifiliche e di autoripararsi in seguito a rotture locali. La membrana non è una barriera impermeabile. Molecole piccole e non cariche, o molecole cariche ma di dimensioni ridotte, possono attraversarla con una probabilità che dipende dalla loro struttura chimica. Questa proprietà prende il nome di permeabilità selettiva.
“Gli antichi dicevano che Venere fosse nata dalla schiuma del mare; e guardando a come dal gorgoglio di bolle nei mari primordiali sia emersa la vita, v’è più verità in quell’immagine poetica di quanto essi stessi potessero immaginare”.
In un contesto chimico prebiotico, molecole anfifiliche semplici come gli acidi grassi sono particolarmente rilevanti. Un acido grasso è una molecola composta da una catena idrocarburica apolare e da un gruppo carbossilico polare. Acidi grassi a catena relativamente corta possono formarsi attraverso reazioni chimiche non biologiche e, in acqua, sono in grado di auto-organizzarsi in micelle e vescicole. A differenza delle membrane biologiche moderne, basate su fosfolipidi più complessi, le membrane di acidi grassi sono altamente dinamiche e permeabili.
Queste proprietà sono state investigate sperimentalmente in modo sistematico. In laboratorio è stato mostrato che vescicole di acidi grassi possono formarsi spontaneamente in acqua a partire da miscele semplici. È stato inoltre osservato che tali vescicole possono crescere quando nuove molecole anfifiliche vengono aggiunte alla soluzione. La crescita avviene per inserzione delle molecole nella membrana esistente, con un aumento della superficie del compartimento. L’ingresso di acqua all’interno della vescicola, guidato da differenze di concentrazione dei soluti, provoca l’aumento del volume interno. Questo fenomeno è descritto in termini di pressione osmotica, cioè la pressione esercitata dall’acqua che tende a diluire una soluzione più concentrata separata da una barriera semipermeabile.
È stato anche osservato che vescicole cresciute oltre una certa dimensione possono andare incontro a instabilità meccaniche. Sottoposte a sollecitazioni fisiche, come flussi o agitazione, possono dividersi in due o più vescicole più piccole. Questo processo di divisione non richiede macchinari molecolari complessi: deriva dalle proprietà elastiche della membrana e dalla geometria del sistema.
Un aspetto cruciale riguarda l’interazione fra il contenuto chimico della vescicola e il comportamento della membrana. Esperimenti con sistemi modello hanno mostrato che la presenza di molecole cariche o polimeriche all’interno di una vescicola modifica la pressione osmotica e può favorire l’ingresso di ulteriori molecole anfifiliche dall’esterno. In questo modo, il contenuto interno influenza la crescita del compartimento che lo racchiude.
Questo accoppiamento diventa particolarmente significativo quando all’interno della vescicola sono presenti molecole capaci di replicazione chimica. Per replicazione si intende un processo in cui una molecola funge da stampo per la produzione di una copia della propria struttura, con una certa probabilità di errore. L’RNA è un esempio di polimero che può svolgere questa funzione: è una catena di nucleotidi capace sia di conservare informazione strutturale sia, in alcuni casi, di catalizzare reazioni chimiche.
Esperimenti di laboratorio hanno mostrato che nucleotidi attivati, cioè nucleotidi chimicamente predisposti alla polimerizzazione, possono attraversare membrane di acidi grassi più facilmente di membrane più rigide. È stato inoltre dimostrato che reazioni di copiatura non enzimatica dell’RNA possono avvenire all’interno di vescicole di acidi grassi, a condizione che la composizione ionica dell’ambiente sia adeguata. In particolare, ioni come il magnesio, necessari per stabilizzare le strutture dell’RNA e favorire la polimerizzazione, possono danneggiare le membrane; soluzioni sperimentali mostrano che la presenza di molecole che legano parzialmente questi ioni riduce l’effetto destabilizzante, mantenendo al tempo stesso la funzionalità chimica.
Nel loro insieme, queste evidenze sperimentali delineano una traiettoria plausibile. Molecole anfifiliche semplici formano compartimenti dinamici in acqua. Questi compartimenti possono crescere, dividersi e scambiare selettivamente materia con l’ambiente. All’interno di alcuni di essi, per eventi casuali ma frequenti data l’abbondanza dei compartimenti, possono accumularsi sistemi chimici replicativi. Quando il comportamento del replicatore e quello del compartimento diventano accoppiati, il compartimento smette di essere un semplice contenitore e diventa un’unità chimica integrata. È su questa base che diventa comprensibile il passaggio da microreattori isolati a sistemi capaci di persistenza, variazione e continuità.
Gli antichi dicevano che Venere fosse nata dalla schiuma del mare; e guardando a come dal gorgoglio di bolle nei mari primordiali sia emersa la vita, v’è più verità in quell’immagine poetica di quanto essi stessi potessero immaginare.
foto: Dietmar Rabich / Wikimedia Commons / “Seifenblasen — 2020 — 9987” / CC BY-SA 4.0
