chimica

La prima Terra era viola, è quanto suggerisce uno studio

La prima vita vegetale sulla Terra potrebbe essere stata viola tanto quanto è verde oggi, sostiene uno scienziato.

Gli antichi microbi avrebbero potuto usare una molecola diversa dalla clorofilla per imbrigliare i raggi del Sole, una che conferiva agli organismi una tonalità viola.

La clorofilla, il principale pigmento fotosintetico delle piante, assorbe principalmente le lunghezze d’onda blu e rosse del Sole e riflette quelle verdi, ed è questa luce riflessa che dà alle piante il loro colore fogliare. Questo fatto fa sorgere dei dubbi ad alcuni biologi perché il sole trasmette la maggior parte della sua energia nella parte verde dello spettro visibile.

“Perché la clorofilla dovrebbe riflettere la zona che ha più energia?” dice Shil DasSarma, genetista microbico all’Università del Maryland.

Dopo tutto, l’evoluzione ha ottimizzato l’occhio umano per essere più sensibile alla luce verde (motivo per cui le immagini degli occhiali per la visione notturna sono colorate di verde). Quindi, perché la fotosintesi non è messa a punto nello stesso modo?

Risposta possibile
DasSarma pensa che sia perché la clorofilla è comparsa dopo che un’altra molecola sensibile alla luce chiamata retina era già presente sulla Terra. La retina, oggi si trova nella membrana color prugna di un microbo fotosintetico chiamato halobacteria: assorbe la luce verde e riflette la luce rossa e viola, la cui combinazione appare completamente viola.

I microbi primitivi che usavano la retina per imbrigliare l’energia del sole avrebbero potuto dominare la Terra primordiale, disse DasSarma, tingendo così alcuni dei primi hotspot biologici del pianeta di un caratteristico colore viola.

Essendo ritardatari, i microbi che usavano la clorofilla non potevano competere direttamente con quelli che utilizzavano la retina, ma sopravvissero sviluppando la capacità di assorbire le lunghezze d’onda che la retina non utilizzava, ha detto DasSarma.

“La clorofilla è stata costretta a utilizzare la luce blu e rossa, dal momento che tutta la luce verde veniva assorbita dagli organismi che possedevano la membrana viola“, ha detto William Sparks, un astronomo presso lo Space Telescope Science Institute (STScI) nel Maryland, che ha aiutato DasSarma a sviluppare la sua idea.

Clorofilla più efficiente
I ricercatori ipotizzano che gli organismi a base di clorofilla e retina siano coesistiti per un certo periodo. “Possimao immaginare una situazione in cui la fotosintesi sta avvenendo proprio sotto uno strato di organismi contenenti membrane viola“, ha detto DasSarma a LiveScience.

Ma dopo un po’, dicono i ricercatori, l’equilibrio si è piegato a favore della clorofilla perché è più efficiente della retina.

“La clorofilla non può campionare il picco dello spettro solare, ma fa un uso migliore della luce che assorbe“, ha spiegato Sparks.

DasSarma ammette che le sue idee sono attualmente poco più che speculazioni, ma dice che si adattano ad altre informazioni che gli scienziati conoscono sulla retina e sulla prima Terra.

Ad esempio, la retina ha una struttura più semplice della clorofilla e sarebbe stata più facile da produrre nell’ambiente a basso tenore di ossigeno della prima Terra, ha affermato DasSarma.

Inoltre, il processo per produrre la retina è molto simile a quello per produrre un acido grasso, che molti scienziati pensano sia stato uno degli ingredienti chiave per lo sviluppo delle cellule.

“Gli acidi grassi erano probabilmente necessari per formare le membrane nelle prime cellule“, ha detto DasSarma.

Infine, l’halobacteria, un microbo vivo ancora oggi che utilizza la retina, non è affatto un batterio. Appartiene ad un gruppo di organismi chiamati archaea, il cui lignaggio risale a un tempo prima che la Terra avesse un’atmosfera di ossigeno.

Prese insieme, queste diverse linee di evidenza suggeriscono che la retina si è formata prima della clorofilla, ha detto DasSarma.

Il team ha presentato la sua cosiddetta ipotesi “Purple Earth” all’inizio di quest’anno all’incontro annuale dell’American Astronomical Society (AAS), ed è anche dettagliato nell’ultimo numero della rivista American Scientist. Il team prevede inoltre di presentare il lavoro a una rivista scientifica sottoposta a peer review entro la fine dell’anno.

Attenzione necessaria
David Des Marais, un geochimico del Centro di ricerca Ames della NASA in California, definisce “interessante” l’ipotesi della Terra viola, ma mette in guardia dal fare troppe congetture.

“Sono cauto nel guardare a chi usa le lunghezze d’onda della luce e trarre conclusioni su come erano le cose 3 o 4 miliardi di anni fa“, ha detto Des Marais, che non è stato coinvolto nella ricerca.

Des Marais ha dato una spiegazione alternativa al motivo per cui la clorofilla non assorbe la luce verde: è che così facendo potrebbe danneggiare le piante.

“Quell’energia arriva con estrema potenza. È un’arma a doppio taglio“, ha detto Des Marais in un’intervista telefonica. “Sì, ci guadagni in energia, ma è come se le persone ricevessero ossigeno puro al 100 percento e si avvelenassero.”

Des Marais punta ai cianobatteri, microbi fotosintetici con una storia antica, che vivono proprio sotto la superficie dell’oceano per evitare la brutalità dell’energia del sole.

“Vediamo molte prove di adattamento per abbassare un po’ i livelli di luce“, ha detto Des Marais. “Non so se sia necessariamente un lato evolutivo negativo il non essere al picco dello spettro solare.“

Implicazioni per l’astrobiologia
Se la ricerca futura convalidasse l’ipotesi della terra viola, questo avrebbe implicazioni per gli scienziati che cercano la vita su mondi lontani, dicono i ricercatori. “Dobbiamo assicurarci di non concentrarci su idee interamente centrate su ciò che vediamo sulla Terra“, ha detto il collega di DasSarma, Neil Reid, anche lui dello STScI.

Per esempio, un biomarker di particolare interesse per l’astrobiologia è il “bordo rosso” prodotto dalle piante sulla Terra. La vegetazione terrestre assorbe la maggior parte, ma non la totalità, della luce rossa nello spettro visibile. Molti scienziati hanno proposto di utilizzare la piccola parte della luce rossa riflessa come un indicatore della vita su altri pianeti.

“Penso che quando la maggior parte delle persone pensa al telerilevamento siano focalizzati sulla vita basata sulla clorofilla“, ha detto DasSarma. “Potrebbe essere quello più prominente, ma se ti capita di vedere un pianeta che si trova in questa fase iniziale dell’evoluzione, e stai cercando la clorofilla, potresti non vederlo perché stai guardando la lunghezza d’onda sbagliata.”

Perché alcuni funghi sono "magici"? Uno studio offre una spiegazione evolutiva

I funghi psichedelici probabilmente svilupparono le loro proprietà “magiche” per far cadere il fallo gli insetti mangiatori di funghi, è quanto suggeriscono nuove ricerche.

Questo lavoro aiuta a spiegare un mistero biologico e potrebbe aprire le porte scientifiche agli studi di nuovi trattamenti per le malattie neurologiche, ha detto l’autore principale della ricerca Jason Slot, assistente professore di genomica evolutiva fungina presso la Ohio State University.

I funghi che contengono la psilocibina, che altera il cervello, variano ampiamente in termini di lignaggio biologico e, in superficie, non sembrano avere molto in comune.

Da una prospettiva di biologia evolutiva, questo è intrigante e indica un fenomeno in cui il materiale genetico salta da una specie all’altra – un processo chiamato trasferimento genico orizzontale, ha detto Slot. Quando accade in natura in genere in risposta a fattori di stress o opportunità nell’ambiente.

Il dott. Slot e i suoi coautori hanno esaminato tre specie di funghi psichedelici – e funghi correlati che non causano allucinazioni – e hanno trovato un gruppo di cinque geni che sembrano spiegare cosa hanno in comune i funghi psichedelici.

“Ma la nostra domanda principale è: ‘Come si è evoluta questa caratteristica?'” Ha detto Slot. “Qual è il ruolo della psilocibina in natura?“

Slot ei suoi colleghi hanno trovato un indizio evolutivo sul motivo per cui i funghi hanno acquisito la capacità di portare gli utilizzatori umani in uno stato di coscienza alterata. I geni responsabili della produzione di psilocibina sembrano essere stati scambiati in un ambiente con molti insetti mangia-funghi.

La psilocibina consente ai funghi di interferire con un neurotrasmettitore nell’uomo e anche negli insetti, che sono probabilmente il loro nemico più grande. Nelle mosche, la soppressione di questo neurotrasmettitore è nota per diminuire l’appetito.

“Abbiamo ipotizzato che i funghi si siano evoluti per essere allucinogeni perché questo riduceva le probabilità di essere mangiati dagli insetti“, ha detto Slot. Lo studio è stato pubblicato online sulla rivista Evolution Letters.

“La psilocibina probabilmente non solo avvelena i predatori o ha un cattivo sapore: questi funghi alterano la “mente” degli insetti – se hanno una mente – per soddisfare i propri bisogni“.

E la ragione per cui le specie non correlate hanno la stessa protezione genetica deriva probabilmente dal fatto che comunemente crescono negli stessi luoghi ricchi di insetti: feci animali e legno marcio.

Questo lavoro potrebbe guidare la scienza medica indirizzando i ricercatori nella direzione di altre molecole che potrebbero essere utilizzate per trattare disturbi neurolgici, ha detto Slot.

La psilocibina è stata studiata per il trattamento di una varietà di disturbi mentali, tra cui depressione resistente ai trattamenti, dipendenza e ansia da fine vita. Una manciata di ricercatori negli Stati Uniti stanno esaminando potenziali applicazioni pratiche e gran parte del lavoro si sta svolgendo all’estero. Le severe leggi americane sulla droga hanno ritardato questi tipi di studi per decenni, ha detto Slot.

Antica polvere spaziale rivela una svolta sorprendente nell’evoluzione dell’atmosfera iniziale della Terra

Piccoli meteoriti fossili stanno fornendo nuove conoscenze su come la nostra atmosfera antica si è evoluta nel suo stato attuale

Analizzando i granelli di un’antica polvere spaziale che scivolò sulla Terra 2,7 miliardi di anni fa, gli scienziati stanno dando il loro primo sguardo alla composizione chimica dell’atmosfera superiore del nostro giovane pianeta.

La ricerca suggerisce che l’antica atmosfera superiore della Terra conteneva circa la stessa quantità di ossigeno di oggi, circa il 20 per cento. Questo confuta ciò che gli scienziati avevano ipotizzato: dal momento che la bassa atmosfera della Terra primordiale era povera di ossigeno, i ricercatori pensavano che l’atmosfera superiore fosse ugualmente priva di questo gas.

Gli scienziati affermano che i risultati, descritti nel numero di questa settimana della rivista Nature, aprano una nuova strada per indagare l’evoluzione dell’atmosfera nel lontano passato e fanno nuova luce su come l’atmosfera terrestre si è evoluta fino al suo stato attuale.

“L’atmosfera in continua evoluzione ha cambiato la chimica di una vasta gamma di processi geologici, alcuni dei quali sono responsabili della formazione di risorse minerarie gigantesche“, spiega l’autore principale dello studio, Andrew Tomkins della Monash University di Melbourne, in Australia. Quindi questa ricerca “ci aiuta a riflettere su come biosfera, idrosfera, geosfera, hanno interagito tra loro e come sono cambiate nel corso del tempo“, spiega.

La polvere spazioale, o “micrometeoriti,” utilizzata per lo studio è stata recuperata da antichi campioni di calcare della regione di Pilbara in Australia occidentale. Le sferule cosmiche si sono fuse e ricompattate dopo essere entrate nell’atmosfera terrestre ad altitudini di circa 50 – 60 miglia.

“I ricercatori avevano trovato delle micrometeoriti nelle rocce in passato, ma nessuno aveva pensato di usarle per studiare la chimica atmosferica“, dice Tomkins.

Siccome questi piccoli oggetti si sono fusi e risolidificati in alto nell’antica atmosfera, hanno reagito con l’ossigeno nel loro ambiente e sono stati trasformati. I ricercatori sono stati in grado di scrutare questi antichi micrometeoriti per vedere quali cambiamenti chimici avevano subito durante il loro viaggio attraverso l’atmosfera.

Con l’aiuto di un microscopio, Tomkins e i suoi colleghi hanno scoperto che i micrometeoriti una volta erano state particelle di ferro metallico che si sono trasformate in minerali di ossido di ferro dopo l’esposizione all’ossigeno nell’alta atmosfera.

Gli scienziati sostengono che, perchè si verifichi una tale trasformazione, i livelli di ossigeno nell’atmosfera superiore della Terra durante l’era Archeana (da 3,9 a 2,5 miliardi di anni fa) dovevano essere stati molto più alti di quanto si pensasse.

I calcoli eseguiti dal coautore dello studio Matthew Gengè, un esperto di polvere cosmica presso l’Imperial College di Londra, suggeriscono che la concentrazione di ossigeno nell’atmosfera superiore dovesse essere di circa il 20 per cento – o vicino ai livelli di oggi – per spiegare le osservazioni.

“Penso che sia davvero emozionante che forse hanno un modo di testare la composizione atmosferica attraverso questi micrometeoriti“, dice Jim Kasting, un geologo alla Pennsylvania State University, che non è stato coinvolto nello studio.

Tomkins e il suo team pensano che i loro nuovi risultati potrebbero sostenere un’idea proposta da Kasting e altri, e cioè che l’atmosfera terrestre durante l’Archeano fosse a strati, con le atmosfere inferiore e superiore separate da uno strato intermedio nebuloso. Questo strato sarebbe stato composto da gas metano a effetto serra – prodotto in grandi quantità dai primi organismi metano-produttori, chiamati “metanogeni”.

Il metano avrebbe assorbito la luce ultravioletta e rilasciato calore creando una zona calda che bloccava la miscelazione verticale dei diversi strati atmosferici.

Secondo questo scenario, lo strato di foschia avrebbe inibito il mescolamento verticale fino al verificarsi del “grande evento di ossidazione” 2,4 miliardi di anni fa, quando la fotosintesi dei cianobatteri ha prodotto ossigeno in quantità sufficienti da poter dissipare il metano.

“L’ossigeno e il metano non vanno bene insieme, quindi questo aumento di ossigeno avrebbe finalmente reagito con il metano eliminandolo dal sistema“, dice Tomkins. “La rimozione del metano consentirebbe una più efficace miscelazione delle atmosfere superiore e inferiore.“

Tomkins ha sottolineato, tuttavia, che questa ipotesi deve ancora essere testata, e ha intenzione di collaborare con Kasting per sviluppare modelli computerizzati per simulare il mescolamento verticale in ambienti con differenti composizioni.

“Abbiamo preso un campione dell’atmosfera superiore arcaica in un solo punto nel tempo“, dice Tomkins. “Il passo successivo è quello di estrarre dalle rocce delle micrometeoriti che coprano una vasta gamma di tempo geologico, e di analizzare ampie variazioni nella chimica dell’atmosfera superiore.“

I biologi hanno scoperto che i batteri comunicano come i neuroni nel cervello

I biologi della UC di San Diego hanno scoperto che i batteri, spesso visti come umili creature solitarie, – sono in realtà molto sofisticati nelle loro interazioni sociali e comunicano tra loro attraverso meccanismi di segnalazione elettrica simili a quelle dei neuroni nel cervello umano.
In uno studio di questa settimana, pubblicato in anticipo rispetto alla pubblicazione on-line di Nature, gli scienziati hanno dettagliato il modo in cui i batteri che vivono in comunità comunicano tra loro elettricamente tramite proteine ​​chiamate “canali ionici.”
“La nostra scoperta non solo cambia il nostro modo di pensare ai batteri, ma anche il modo di pensare al nostro cervello“, ha detto Gürol Suel, professore associato di biologia molecolare alla UC di San Diego che ha guidato il progetto di ricerca. “Tutti i nostri sensi, il comportamento e l’intelligenza emergono dalle comunicazioni elettriche tra i neuroni nel cervello mediate dai canali ionici. Ora scopriamo che i batteri utilizzano canali ionici simili per comunicare e risolvere stress metabolici. La nostra scoperta suggerisce che i disturbi neurologici che sono attivati ​​da stress metabolici potrebbero avere antiche origini batteriche, e questo potrebbe quindi fornire una nuova prospettiva su come trattare tali condizioni“.
“Gran parte della nostra comprensione dei segnali elettrici nel nostro cervello si basa su studi strutturali dei canali ionici batterici“, ha detto Suel. Ma come i batteri utilizzano questi canali ionici è rimasto un mistero finchè Suel e dei suoi colleghi hanno intrapreso uno sforzo per esaminare la comunicazione a lunga distanza all’interno di un biofilm (densa comunità organizzata contenente milioni di cellule batteriche). Queste comunità di batteri possono formare strutture sottili sulle superfici (come il tartaro che si sviluppa sui denti) altamente resistenti agli agenti chimici e antibiotici.
L’interesse degli scienziati nello studio dei segnali a lungo raggio è cresciuto dopo uno studio precedente, pubblicato nel mese di luglio su Nature, che ha scoperto che i biofilm sono in grado di risolvere i conflitti sociali all’interno della loro comunità di cellule batteriche, proprio come le società umane.
I ricercatori hanno scoperto che quando un biofilm composto da centinaia di migliaia di cellule batteriche di Bacillus subtilis cresce arrivando ad una certa dimensione, il bordo esterno, con accesso illimitato ai nutrienti, periodicamente smette di crescere per consentire ai nutrienti stessi, in particolare il glutammato, di fluire verso il centro isolato del biofilm. In questo modo, i batteri situati nel centro protetto della colonia vengono tenuti in vita e potrebbero sopravvivere ad attacchi chimici ed antibiotici.
Rendendosi conto che le oscillazioni nella crescita del biofilm richiedono un coordinamento a lungo raggio tra i batteri situati alla periferia e all’interno del biofilm, unitamente al fatto che i batteri erano in competizione per il glutammato, la presenza di tale molecola elettricamente carica, ha spinto i ricercatori a ipotizzare che il coordinamento metabolico tra le cellulee lontane all’interno del biofilm potrebbe comportare una forma di comunicazione elettrochimica. Gli scienziati hanno precisato anche che il glutammato è noto anche per veicolare circa la metà di tutte le attività del cervello umano.
Così hanno progettato un esperimento per testare la loro ipotesi. L’obiettivo era di misurare accuratamente i cambiamenti di potenziale della membrana cellulare batterica durante le oscillazioni metaboliche.
I ricercatori hanno osservato oscillazioni del potenziale di membrana che hanno abbinato alle oscillazioni nella crescita del biofilm e ha scoperto che i canali ionici erano responsabili di questi cambiamenti nel potenziale di membrana. Ulteriori esperimenti hanno rivelato che le oscillazioni conducono segnali elettrici a lungo raggio all’interno del biofilm attraverso una propagazione spaziale di onde di potassio, uno ione carico. Poiché queste onde di ioni carichi si propagano attraverso il biofilm, essi coordinano l’attività metabolica dei batteri nelle regioni interne ed esterne del biofilm. Quando il canale ionico che permette al potassio di fluire dentro e fuori dalle cellule è stato eliminato dai batteri, il biofilm non era più in grado di condurre questi segnali elettrici.
“Proprio come i neuroni nel nostro cervello, abbiamo scoperto che i batteri utilizzano canali ionici per comunicare tra loro attraverso segnali elettrici“, ha detto Suel. “In questo modo, la comunità di batteri all’interno biofilm sembra funzionare proprio come un ‘cervello microbico’.“
Suel ha aggiunto che il meccanismo specifico mediante il quale i batteri comunicano tra loro è sorprendentemente simile a un processo del cervello umano noto come “cortical spreading depression”, che si pensa essere coinvolto in emicranie e convulsioni.
“La cosa interessante è che entrambi, sia le emicranie che i segnali elettrici dei batteri che abbiamo scoperto sono scatenate da stress metabolico“, ha detto. “Questo suggerisce che molti farmaci originariamente sviluppati per l’epilessia e l’emicrania possono anche essere efficaci nell’attaccare i biofilm batterici, che sono diventati un crescente problema per la salute in tutto il mondo a causa della loro resistenza agli antibiotici.“
Lo studio è stato finanziato da sovvenzioni del NIH’s National Institute of General Medical Sciences (R01 GM088428, P50 GM085764), il San Diego Center for Systems Biology e la National Science Foundation (MCB-1.450.867).

E’ stata scoperta, per caso, una nuova classe di polimeri

Quando la ricercatrice chimica Jeannette García ha trovato un pezzo di materiale bianco della grandezza di una caramella in una beuta che aveva usato poco, non aveva idea di quello che aveva creato. Il materiale era attaccato saldamente al vetro, tanto che ha dovuto utilizzare un martello per staccarlo. Ma quando ha usato il martello sul materiale stesso, non è riuscita a romperlo. “Quando mi sono resa conto di quanto alta fosse la sua tenacia, sapevo che avevo bisogno di capire cosa avevo creato“, dice la Garcia.

García, scienziata presso l’IBM Research-Almaden, chiese l’aiuto di diversi colleghi per risolvere il puzzle. Hanno così scoperto di aver trovato una nuova famiglia di polimeri termoindurenti, eccezionalmente forti, che possono essere utilizzati in prodotti che vanno dagli smartphone alle ali degli aerei. I materiali termoindurenti rappresentano circa un terzo dei polimeri globali prodotti ogni anno, ma sono difficili da riciclare. Il nuovo materiale scoperto dalla García, soprannominato Titan, è il primo termoindurente riciclabile, industriale mai scoperto.

A differenza dei termoindurenti convenzionali, che praticamente si rifiutano di essere riplasmati, il nuovo polimero può essere riciclato tramite una reazione chimica. García ed i suoi colleghi hanno riportato la loro scoperta sul numero di maggio di Science.

Per la domanda globale di materiali plastici di lunga durata, riciclabili, è previsto un aumento di richiesta a breve. Entro il 2015, per esempio, sia l’Europa che il Giappone richiederanno che il 95 per cento delle parti delle automobili prodotte siano riciclabili. “Questo è un perfetto esempio di come questo materiale potrebbe funzionare per questo“, dice la Garcia. Ma lei crede che il nuovo termoindurente potrebbe anche eventualmente essere usato in una gamma di rivestimenti anticorrosivi e antimicrobici, per la somministrazione mirata di farmaci, per adesivi, per le stampe 3-D, la depurazione delle acque, tra gli altri.

Titan è nato, inoltre, con un bonus. García ed i suoi colleghi hanno scoperto una seconda forma del materiale, auto-riparante, una sostanza gelatinosa che hanno chiamano Hydro, e che si genera a temperature più basse. “Se lo si taglia a metà e poi lo si rimette insieme, si forma istantaneamente un legame“, dice Garcia. Potrebbe essere usato come adesivo, nota, o come una vernice autorigenerante. Altri composti correlati potrebbero nascere in seguito. «Non è solo la scoperta di un nuovo polimero, ma la scoperta di una nuova reazione di formazione dei polimeri.“, dice García.

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