Livets oprindelse: Hvordan sprækker i varme klipper kan have kickstartet biokemi

Livets oprindelse: Hvordan sprækker i varme klipper kan have kickstartet biokemi

Tidsstempel: 5. april 2024 kl. 3
Life's Origins: How Fissures in Hot Rocks May Have Kickstarted Biochemistry PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Hvordan opstod livets byggesten?

Spørgsmålet har længe irriteret videnskabsmænd. Tidlig Jorden var oversået med pøler af vand rige på kemikalier - en ursuppe. Alligevel dukkede biomolekyler, der understøtter liv, frem fra blandingerne og satte scenen for de første cellers udseende.

Livet blev kickstartet, da to komponenter dannedes. Den ene var en molekylær bærer - som for eksempel DNA - til at sende videre og remixe genetiske tegninger. Den anden komponent bestod af proteiner, arbejdshestene og kroppens strukturelle elementer.

Begge biomolekyler er meget komplekse. Hos mennesker har DNA fire forskellige kemiske "bogstaver", kaldet nukleotider, hvorimod proteiner er lavet af 20 typer aminosyrer. Komponenterne har forskellige strukturer, og deres skabelse kræver lidt anderledes kemi. De endelige produkter skal være i store nok mængder til at binde dem sammen til DNA eller proteiner.

Forskere kan rense komponenterne i laboratoriet ved hjælp af tilsætningsstoffer. Men det rejser spørgsmålet: Hvordan skete det på den tidlige Jord?

Svaret antyder Dr. Christof Mast, en forsker ved Ludwig Maximilians Universitetet i München, kan være revner i klipper som dem, der forekommer i vulkanerne eller geotermiske systemer, der var rigelige på den tidlige Jord. Det er muligt, at temperaturforskelle langs revnerne naturligt adskiller og koncentrerer biomolekylekomponenter, hvilket giver et passivt system til at rense biomolekyler.

Inspireret af geologi udviklede holdet varmestrømskamre, der var omtrent på størrelse med et bankkort, der hver indeholdt små brud med en temperaturgradient. Når de gives en blanding af aminosyrer eller nukleotider - en "præbiotisk blanding" - adskilles komponenterne let.

Tilføjelse af flere kamre koncentrerede kemikalierne yderligere, selv dem, der var ens i struktur. Netværket af frakturer gjorde det også muligt for aminosyrer at binde, det første skridt mod at skabe et funktionelt protein.

"Systemer af indbyrdes forbundne tynde sprækker og revner ... menes at være allestedsnærværende i vulkanske og geotermiske miljøer," skrev holdet. Ved at berige de præbiotiske kemikalier kunne sådanne systemer have "givet en stabil drivkraft til et naturligt laboratorium for livets oprindelse."

Brygger liv

For omkring fire milliarder år siden var Jorden et fjendtligt miljø, ramt af meteoritter og fyldt med vulkanudbrud. Alligevel genererede kemien på en eller anden måde blandt kaosset de første aminosyrer, nukleotider, fede lipider og andre byggesten, der understøtter livet.

Hvilken kemiske processer bidraget til disse molekyler er til debat. Hvornår hver kom med er også en gåde. Ligesom et "kylling eller æg"-problem styrer DNA og RNA skabelsen af ​​proteiner i celler - men begge genetiske bærere kræver også proteiner for at replikere.

En teori tyder på sulfidiske anioner, som er molekyler, der var rigeligt i Jordens tidlige søer og floder, kunne være forbindelsen. Genereret i vulkanudbrud, når de er opløst i vandbassiner, kan de fremskynde kemiske reaktioner, der omdanner præbiotiske molekyler til RNA. Idéen kaldet "RNA-verden"-hypotesen antyder, at RNA var det første biomolekyle, der nåede Jorden, fordi det kan bære genetisk information og fremskynde nogle kemiske reaktioner.

En anden idé er meteorpåvirkninger på tidlige jordgenererede nukleotider, lipider og aminosyrer samtidigt gennem en proces, der omfatter to rigelige kemikalier - en fra meteorer og en anden fra Jorden - og et strejf af UV-lys.

Men der er et problem: Hvert sæt byggesten kræver en anden kemisk reaktion. Afhængigt af små forskelle i struktur eller kemi, er det muligt, at en geografisk placering kan have skævt mod én type præbiotisk molekyle frem for en anden.

Hvordan? Den nye undersøgelse, offentliggjort i Natur, giver et svar.

Tunnel netværk

Laboratorieeksperimenter, der efterligner tidlig Jord, starter normalt med veldefinerede ingredienser, der allerede er blevet renset. Forskere renser også op i mellemliggende biprodukter, især for flere kemiske reaktionstrin.

Processen resulterer ofte i "forsvindende små koncentrationer af det ønskede produkt", eller dets skabelse kan endda blive fuldstændig hæmmet, skrev teamet. Reaktionerne kræver også flere rumligt adskilte kamre, som næsten ikke minder om Jordens naturlige miljø.

Det nye studie tog inspiration fra geologi. Tidlig Jorden havde komplekse netværk af vandfyldte revner fundet i en række klipper i vulkaner og geotermiske systemer. Revnerne, genereret af overophedning af sten, dannede naturlige "strå", der potentielt kunne filtrere en kompleks blanding af molekyler ved hjælp af en varmegradient.

Hvert molekyle favoriserer en foretrukken temperatur baseret på dets størrelse og elektriske ladning. Når den udsættes for forskellige temperaturer, bevæger den sig naturligt mod sit ideelle valg. Kaldet termoforese, processen adskiller en suppe af ingredienser i flere forskellige lag i ét trin.

Holdet efterlignede et enkelt tyndt stenbrud ved hjælp af et varmestrømningskammer. Omtrent på størrelse med et bankkort havde kammeret små revner på 170 mikrometer på tværs, omtrent på bredden af ​​et menneskehår. For at skabe en temperaturgradient blev den ene side af kammeret opvarmet til 104 grader Fahrenheit og den anden ende afkølet til 77 grader Fahrenheit.

I en første test tilføjede holdet en blanding af præbiotiske forbindelser, der inkluderede aminosyrer og DNA-nukleotider, ind i kammeret. Efter 18 timer blev komponenterne adskilt i lag som tiramisu. For eksempel blev glycin - den mindste af aminosyrerne - koncentreret mod toppen, mens andre aminosyrer med højere termoforetisk styrke klæbede til bunden. Tilsvarende adskilte DNA-bogstaver og andre livsopretholdende kemikalier sig også i revnerne, hvor nogle blev beriget med op til 45 procent.

Selvom det var lovende, lignede systemet ikke den tidlige Jord, som havde stærkt indbyrdes forbundne revner af varierende størrelse. For bedre at efterligne naturlige forhold, spændte holdet derefter tre kamre op, hvor det første forgrenede sig i to andre. Dette var omkring 23 gange mere effektivt til at berige præbiotiske kemikalier end et enkelt kammer.

Ved hjælp af en computersimulering modellerede holdet derefter adfærden af ​​et 20 x 20 sammenkoblet kammersystem ved hjælp af en realistisk strømningshastighed af præbiotiske kemikalier. Kamrene berigede brygget yderligere med glycin, der berigede over 2,000 gange mere end andre aminosyrer.

Kemiske reaktioner

Renere ingredienser er en god start for dannelsen af ​​komplekse molekyler. Men masser af kemisk reaktion kræver yderligere kemikalier, som også skal beriges. Her nulstillede holdet en reaktion, der satte to glycinmolekyler sammen.

I hjertet er trimetaphosphat (TMP), som hjælper med at styre reaktionen. TMP er især interessant for præbiotisk kemi, og det var sjældent på den tidlige jord, forklarede holdet, som "gør dets selektive berigelse kritisk." Et enkelt kammer øgede TMP-niveauerne, når det blev blandet med andre kemikalier.

Ved hjælp af en computersimulering øgede en TMP- og glycinblanding det endelige produkt - et fordoblet glycin - med fem størrelsesordener.

"Disse resultater viser, at ellers udfordrende præbiotiske reaktioner er massivt boostet" med varmestrømme, der selektivt beriger kemikalier i forskellige regioner, skrev holdet.

I alt testede de over 50 præbiotiske molekyler og fandt ud af, at frakturerne let adskilte dem. Fordi hver revne kan have en anden blanding af molekyler, kan det forklare stigningen af ​​flere livsopretholdende byggesten.

Alligevel er det stadig mystisk, hvordan livets byggesten kom sammen for at danne organismer. Varmestrømme og stenspalter er sandsynligvis kun en brik i puslespillet. Den ultimative test vil være at se, om og hvordan disse rensede præbiotika forbindes og danner en celle.

Billedkredit: Christof B. Mast

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub