Un composto tossico potrebbe essere stato un possibile catalizzatore dell’origine della vita

Il cianuro di idrogeno, un composto tossico ampiamente diffuso nel cosmo, potrebbe aver avuto un ruolo chiave nell’origine della vita sulla Terra.

Nuove simulazioni suggeriscono che, allo stato cristallino, riesca a innescare reazioni chimiche complesse anche a temperature estremamente basse. Queste scoperte aprono scenari inediti sulla chimica prebiotica e sulle potenzialità reattive di ambienti ghiacciati, anche su altri corpi celesti.

Proprietà chimiche del cianuro di idrogeno e implicazioni prebiotiche

Ilcianuro di idrogeno (HCN) è un composto organico semplice, formato da un atomo di idrogeno, uno di carbonio e uno di azoto. Nonostante la sua nota pericolosità per gli organismi viventi, agisce come potente inibitore della respirazione cellulare, l’HCN possiede una versatilità chimica notevole, che lo rende un potenziale precursore di diverse molecole complesse.

La sua rilevanza in ambito prebiotico deriva dalla capacità di generare, in presenza di acqua, composti fondamentali come amminoacidi, nucleobasi e polimeri organici. La presenza documentata di HCN in ambienti extraterrestri, tra cui comete e atmosfere planetarie (ad esempio quella della luna Titano di Saturno), lo colloca tra i candidati plausibili per contribuire alla chimica prebiotica su scala cosmica.

Cristallizzazione dell’HCN e potenziale catalitico

Il recente studio pubblicato su ACS Central Science ha esplorato le proprietà reattive dell’HCN allo stato solido. Utilizzando simulazioni al calcolatore, il team di ricerca, composto da Marco Capelletti, Hilda Sandström e Martin Rahm, ha modellato la struttura cristallina del composto a basse temperature, focalizzandosi su un cristallo cilindrico lungo circa 450 nanometri, caratterizzato da una base arrotondata e un’estremità superiore multifaccettata, simile a una gemma tagliata.

Questa configurazione non è puramente teorica: cristalli simili sono già stati osservati sperimentalmente, con morfologie che ricordano strutture a “ragnatela”, in cui le estremità cristalline si espandono da un centro comune. Le simulazioni hanno rivelato che alcune superfici di questi cristalli mostrano una reattività chimica inaspettata, in grado di promuovere reazioni normalmente proibite in ambienti così freddi.

Due vie reattive verso l’isocianuro di idrogeno

Analizzando la superficie dei cristalli, i ricercatori hanno identificato due percorsi reattivi distinti attraverso i quali l’HCN può trasformarsi in isocianuro di idrogeno (HNC), un isomero strutturale dell’HCN, caratterizzato da una maggiore reattività chimica.

Questa trasformazione può avvenire in tempi variabili a seconda della temperatura: da pochi minuti fino a diversi giorni. Il passaggio a HNC, più instabile e quindi più incline a interagire con altre molecole, potrebbe aumentare in modo significativo la probabilità di sintesi di composti più complessi, aprendo la strada alla formazione di precursori biomolecolari.

Stabilità e accessibilità delle superfici attive

Uno degli aspetti più rilevanti dello studio riguarda l’accessibilità delle superfici cristalline attive. A basse temperature, queste superfici rimangono stabili e possono fungere da micro-reattori chimici, catalizzando reazioni su scala nanometrica. La struttura ordinata dei cristalli facilita inoltre l’allineamento molecolare, condizione favorevole per l’efficienza dei processi chimici.

Simulazioni computazionali e modellazione molecolare

Lo studio si basa su tecniche di chimica computazionale avanzata, con simulazioni che utilizzano principi della meccanica quantistica per prevedere il comportamento molecolare in condizioni estreme. Il modello tridimensionale del cristallo ha permesso di calcolare con precisione le energie di attivazione associate ai percorsi reattivi, evidenziando un comportamento catalitico non osservabile allo stato gassoso o in soluzione.

Attraverso analisi dettagliate della densità elettronica e delle proprietà termodinamiche delle superfici cristalline, il gruppo ha dimostrato che l’HCN congelato non è semplicemente un solido inerte, ma un ambiente chimicamente dinamico, potenzialmente in grado di facilitare la sintesi prebiotica in condizioni criogeniche.

Possibili implicazioni per la chimica prebiotica terrestre ed extraterrestre

I risultati ottenuti non riguardano solo l’origine della vita sulla Terra, ma pongono nuove domande sulla chimica dei mondi ghiacciati. Se l’HCN è in grado di catalizzare la formazione di molecole organiche complesse anche in ambienti estremamente freddi, allora corpi celesti come le lune di Giove e Saturno, Europa, Encelado e Titano, diventano candidati ancora più promettenti nella ricerca di ambienti favorevoli alla chimica prebiotica.

Inoltre, le superfici di comete e asteroidi, spesso ricoperte di ghiaccio e contenenti HCN, potrebbero aver contribuito a trasportare molecole reattive sulla Terra primordiale attraverso impatti cosmici, accelerando i processi chimici all’origine della vita.

Prospettive sperimentali: dalla simulazione alla verifica

Il gruppo di ricerca sottolinea la necessità di verifiche sperimentali per validare le previsioni delle simulazioni. Tra le strategie proposte vi è la frantumazione meccanica di cristalli di HCN in laboratorio, in presenza di acqua o altri solventi, allo scopo di esporre nuove superfici reattive e monitorare l’eventuale formazione di composti prebiotici.

Questi esperimenti richiederanno condizioni criogeniche controllate, data la temperatura di congelamento dell’HCN e la sua elevata tossicità. Tuttavia, i potenziali risultati giustificano pienamente l’investimento tecnico, poiché permetterebbero di osservare in tempo reale meccanismi reattivi finora solo ipotizzati.

Il ruolo dell’HCN nei modelli di chimica dell’origine della vita

Il cianuro di idrogeno è già presente in numerosi modelli teorici di chimica prebiotica, come quello di Joan Oró, che negli anni ’60 dimostrò come l’HCN potesse dar luogo alla formazione dell’adenina, una delle quattro basi azotate del DNA. Le nuove evidenze cristallografiche e computazionali arricchiscono ulteriormente questa prospettiva, suggerendo che l’HCN, oltre a essere un precursore, possa anche fungere da ambiente reattivo.

La possibilità che il congelamento dell’HCN agisca come driver chimico apre un nuovo paradigma in cui la bassa temperatura non è più un ostacolo, ma una condizione favorevole per l’organizzazione e la trasformazione molecolare.

Finanziamenti e infrastrutture coinvolte nello studio

Il progetto è stato sostenuto dalla Swedish Research Council e ha usufruito delle risorse computazionali fornite dal National Academic Infrastructure for Supercomputing in Sweden (NAISS). L’utilizzo di ambienti di calcolo ad alte prestazioni è stato essenziale per gestire la complessità delle simulazioni molecolari e per esplorare un ampio spettro di condizioni termodinamiche.

La sinergia tra enti finanziatori e infrastrutture accademiche ha reso possibile una ricerca altamente interdisciplinare, al confine tra chimica teorica, astrochimica e biologia prebiotica.

Nuove direzioni per la ricerca chimica nei sistemi ghiacciati

Il lavoro del team svedese apre nuove direzioni nella ricerca sulle condizioni chimiche favorevoli all’origine della vita. La scoperta di superfici cristalline reattive in ambienti congelati offre una spiegazione coerente alla formazione di molecole organiche complesse in assenza di fonti energetiche convenzionali.

Questi risultati rafforzano l’idea che processi di sintesi molecolare avanzata possano avvenire anche in ambienti apparentemente ostili, espandendo il campo d’indagine della chimica prebiotica oltre i tradizionali scenari caldo-umidi finora privilegiati.

L’HCN, da composto tossico a possibile architetto della complessità molecolare, si conferma come una delle chiavi più promettenti per comprendere le origini chimiche della vita, sulla Terra e oltre.