La vita non segue le stesse regole della meccanica classica. Quando un organismo vivente mantiene attivo un processo biochimico come la fotosintesi, impedendo simultaneamente che altre reazioni chimiche avvengano spontaneamente, sta sostenendo un costo energetico che i modelli fisici tradizionali non contemplano. In termodinamica classica, se nulla si muove fisicamente, non viene compiuto alcun lavoro e quindi non esiste dispendio energetico. Ma questa assunzione crolla quando si applicano calcoli termodinamici più sofisticati ai sistemi viventi, rivelando costi nascosti che possono risultare sorprendentemente elevati. Un nuovo studio pubblicato sul Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment propone per la prima volta un quadro teorico capace di quantificare queste spese energetiche invisibili, offrendo una chiave di lettura inedita sull'evoluzione dei percorsi metabolici nelle primissime fasi della vita sulla Terra.
La ricerca, coordinata da Praful Gagrani dell'Università di Tokyo insieme a Nino Lauber dell'Università di Vienna, Eric Smith del Georgia Institute of Technology e dell'Earth-Life Science Institute, e Christoph Flamm dell'Università di Vienna, parte da una considerazione fondamentale: la comparsa della vita coincide con l'emergere di confini e scelte. Quando le prime molecole organiche formarono una membrana cellulare primitiva, creando una separazione netta tra interno ed esterno, il sistema dovette iniziare a investire energia non solo per mantenere questa separazione fisica, ma soprattutto per controllare quali reazioni chimiche potessero verificarsi all'interno. Invece di permettere ogni possibile trasformazione chimica, le protocellule selezionarono un numero ristretto di vie metaboliche capaci di convertire materiali provenienti dall'esterno in composti utili.
Il metabolismo comporta costi energetici evidenti legati alle reazioni chimiche in sé, ma esiste un dispendio aggiuntivo finora difficile da calcolare: quello necessario per indirizzare l'attività chimica lungo percorsi specifici, impedendo che le reazioni si ramifichino in tutte le altre alternative fisicamente possibili. Dal punto di vista della meccanica classica, questi vincoli e condizioni al contorno non dovrebbero richiedere energia, perché vengono trattati come fissi ed esterni al sistema. La termodinamica dei sistemi lontani dall'equilibrio rivela invece che contribuiscono significativamente alla produzione di entropia e comportano un prezzo energetico reale.
Il metodo sviluppato dal gruppo di ricerca permette di stimare sistematicamente i costi termodinamici del metabolismo modellando la cellula come un sistema a flusso stazionario: una molecola entra, ad esempio un nutriente, e un'altra esce, come un prodotto o uno scarto. Basandosi sulla chimica coinvolta, è possibile generare ogni possibile percorso di reazione che collega l'input all'output, ciascuno con il proprio costo termodinamico specifico. Ma invece di calcolare l'energia nel senso tradizionale, l'approccio valuta quanto sarebbe improbabile che una particolare rete di reazioni operasse esattamente in quel modo se la chimica fosse guidata solo da processi spontanei. Maggiore è l'improbabilità, più elevato risulta il costo.
Questa improbabilità si scompone in due componenti distinte. La prima è il costo di mantenimento, che riflette la difficoltà di sostenere un flusso costante attraverso un percorso specifico. La seconda è il costo di restrizione, che misura quanto sia difficile sopprimere tutte le reazioni alternative mantenendo attiva soltanto la via desiderata. Insieme, questi fattori definiscono il costo complessivo di un processo metabolico, permettendo ai ricercatori di confrontare percorsi diversi e determinare quanto sia energeticamente impegnativo per una cellula favorire una specifica rotta chimica mentre ne silenzia altre.
L'ispirazione per questa ricerca è nata dall'utilizzo di MØD, un software sviluppato da Flamm e collaboratori, per enumerare tutti i possibili percorsi capaci di costruire molecole organiche partendo dall'anidride carbonica. Smith aveva applicato l'algoritmo per identificare tutte le vie che possono compiere la stessa conversione del ciclo di Calvin, la serie di reazioni nella fotosintesi che trasforma il biossido di carbonio in glucosio. L'analisi ha rivelato un risultato sorprendente: il percorso utilizzato dalla natura si colloca tra le opzioni meno dissipative, richiedendo meno energia della maggior parte delle alternative teoricamente possibili.
I ricercatori hanno identificato pattern inaspettati. Come spiega Gagrani, utilizzare più percorsi simultaneamente costa energeticamente meno che usarne uno solo. L'analogia proposta è quella di quattro persone che devono spostarsi dal punto A al punto B attraverso tunnel stretti: se ciascuna dispone del proprio tunnel, arrivano più rapidamente rispetto a quando condividono tre o meno passaggi, perché in quest'ultimo caso si ostacolano reciprocamente. Eppure i sistemi biologici reali si affidano spesso a un'unica via metabolica dominante. La spiegazione risiede nella catalisi: l'azione di molecole facilitatrici come gli enzimi accelera le reazioni e le rende meno costose, ottenendo lo stesso effetto di percorsi multipli in parallelo. Questa scelta evolutiva si verifica perché mantenere molte vie parallele può comportare altri svantaggi, come la produzione di numerose molecole potenzialmente tossiche.
Il quadro teorico sviluppato rappresenta uno strumento prezioso per studiare l'origine e l'evoluzione della vita, consentendo di valutare i costi associati alla selezione e al mantenimento di processi metabolici specifici. Aiuta a comprendere come certi percorsi emergano nelle prime fasi dell'organizzazione biochimica, anche se spiegare perché proprio quelle specifiche vie siano state selezionate durante l'evoluzione richiede un approccio genuinamente multidisciplinare. La capacità di quantificare questi costi invisibili apre prospettive per ripensare la transizione dalla chimica prebiotica ai primi sistemi metabolici organizzati, offrendo criteri termodinamici per valutare quali architetture biochimiche fossero più plausibili nelle condizioni della Terra primordiale.
