Life's Origins: Πώς οι ρωγμές σε καυτούς βράχους μπορεί να έχουν ξεκινήσει τη βιοχημεία

Life's Origins: Πώς οι ρωγμές σε καυτούς βράχους μπορεί να έχουν ξεκινήσει τη βιοχημεία

Χρονική σήμανση: 5 Απριλίου 2024 3:17 μ.μ.
Η προέλευση της ζωής: Πώς οι ρωγμές σε καυτά βράχια μπορεί να έχουν ξεκινήσει τη βιοχημεία PlatoBlockchain Data Intelligence. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Πώς προέκυψαν τα δομικά στοιχεία της ζωής;

Το ερώτημα απασχολεί εδώ και καιρό τους επιστήμονες. Η Πρώιμη Γη ήταν διάσπαρτη με λίμνες νερού πλούσιες σε χημικές ουσίες—μια αρχέγονη σούπα. Ωστόσο, βιομόρια που υποστηρίζουν τη ζωή αναδύθηκαν από τα μείγματα, θέτοντας το υπόβαθρο για την εμφάνιση των πρώτων κυττάρων.

Η ζωή ξεκίνησε όταν σχηματίστηκαν δύο συστατικά. Ο ένας ήταν ένας μοριακός φορέας -όπως, για παράδειγμα, το DNA- για να περάσει και να αναμιγνύει γενετικά σχέδια. Το άλλο συστατικό αποτελούνταν από πρωτεΐνες, τα άλογα εργασίας και τα δομικά στοιχεία του σώματος.

Και τα δύο βιομόρια είναι εξαιρετικά πολύπλοκα. Στους ανθρώπους, το DNA έχει τέσσερα διαφορετικά χημικά «γράμματα», που ονομάζονται νουκλεοτίδια, ενώ οι πρωτεΐνες αποτελούνται από 20 τύπους αμινοξέων. Τα συστατικά έχουν διακριτές δομές και η δημιουργία τους απαιτεί ελαφρώς διαφορετικές χημικές ουσίες. Τα τελικά προϊόντα πρέπει να είναι σε αρκετά μεγάλες ποσότητες ώστε να ενωθούν σε DNA ή πρωτεΐνες.

Οι επιστήμονες μπορούν να καθαρίσουν τα συστατικά στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας πρόσθετα. Αλλά θέτει το ερώτημα: Πώς συνέβη στην πρώιμη Γη;

Η απάντηση, προτείνει ο Δρ. Christof Mast, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilians του Μονάχου, μπορεί να είναι ρωγμές σε βράχους όπως αυτές που εμφανίζονται στα ηφαίστεια ή τα γεωθερμικά συστήματα που ήταν άφθονα στην πρώιμη Γη. Είναι πιθανό οι διαφορές θερμοκρασίας κατά μήκος των ρωγμών να διαχωρίζουν και να συγκεντρώνουν φυσικά συστατικά των βιομορίων, παρέχοντας ένα παθητικό σύστημα για τον καθαρισμό των βιομορίων.

Εμπνευσμένη από τη γεωλογία, η ομάδα ανέπτυξε θαλάμους ροής θερμότητας περίπου στο μέγεθος μιας τραπεζικής κάρτας, ο καθένας από τους οποίους περιείχε μικροσκοπικά κατάγματα με κλίση θερμοκρασίας. Όταν δίνεται ένα μείγμα αμινοξέων ή νουκλεοτιδίων - ένα «πρεβιοτικό μείγμα» - τα συστατικά διαχωρίζονται εύκολα.

Η προσθήκη περισσότερων θαλάμων συγκέντρωσε περαιτέρω τις χημικές ουσίες, ακόμη και αυτές που είχαν παρόμοια δομή. Το δίκτυο των καταγμάτων επέτρεψε επίσης στα αμινοξέα να συνδεθούν, το πρώτο βήμα προς τη δημιουργία μιας λειτουργικής πρωτεΐνης.

«Συστήματα διασυνδεδεμένων λεπτών ρωγμών και ρωγμών… πιστεύεται ότι είναι πανταχού παρόντα σε ηφαιστειακά και γεωθερμικά περιβάλλοντα». Έγραψε η ομάδα. Με τον εμπλουτισμό των πρεβιοτικών χημικών ουσιών, τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να έχουν «παρέχει μια σταθερή κινητήρια δύναμη για ένα εργαστήριο φυσικής προέλευσης ζωής».

Brewing Life

Πριν από περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια, η Γη ήταν ένα εχθρικό περιβάλλον, χτυπημένο από μετεωρίτες και γεμάτο ηφαιστειακές εκρήξεις. Ωστόσο, με κάποιο τρόπο μέσα στο χάος, η χημεία δημιούργησε τα πρώτα αμινοξέα, νουκλεοτίδια, λιπαρά λιπίδια και άλλα δομικά στοιχεία που υποστηρίζουν τη ζωή.

Ποιες Οι χημικές διεργασίες που συνεισφέρουν σε αυτά τα μόρια είναι αντικείμενο συζήτησης. Όταν το καθένα που ήρθε είναι επίσης ένα αίνιγμα. Όπως ένα πρόβλημα «κοτόπουλου ή αυγού», το DNA και το RNA κατευθύνουν τη δημιουργία πρωτεϊνών στα κύτταρα — αλλά και οι δύο γενετικοί φορείς απαιτούν επίσης πρωτεΐνες για να αναπαραχθούν.

Μια θεωρία προτείνει σουλφιδικά ανιόντα, τα οποία είναι μόρια που υπήρχαν σε αφθονία στις πρώιμες λίμνες και ποτάμια της Γης, θα μπορούσαν να είναι ο σύνδεσμος. Δημιουργούνται σε ηφαιστειακές εκρήξεις, αφού διαλυθούν σε λίμνες νερού, μπορούν να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις που μετατρέπουν τα πρεβιοτικά μόρια σε RNA. Ονομάστηκε η υπόθεση του «κόσμου RNA», η ιδέα υποδηλώνει ότι το RNA ήταν το πρώτο βιομόριο που χάρισε τη Γη επειδή μπορεί να μεταφέρει γενετικές πληροφορίες και να επιταχύνει ορισμένες χημικές αντιδράσεις.

Μια άλλη ιδέα είναι η πρόσκρουση μετεωριτών σε νουκλεοτίδια, λιπίδια και αμινοξέα που δημιουργήθηκαν από την πρώιμη Γη ταυτόχρονα, μέσω μιας διαδικασίας που περιλαμβάνει δύο άφθονες χημικές ουσίες—μία από μετεωρίτες και μία από τη Γη—και μια παύλα υπεριώδους φωτός.

Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα: Κάθε σύνολο δομικών στοιχείων απαιτεί διαφορετική χημική αντίδραση. Ανάλογα με τις μικρές διαφορές στη δομή ή τη χημεία, είναι πιθανό μια γεωγραφική τοποθεσία να έχει στρέψει προς έναν τύπο πρεβιοτικού μορίου έναντι ενός άλλου.

Πως? Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Φύση, δίνει μια απάντηση.

Δίκτυα σηράγγων

Τα εργαστηριακά πειράματα που μιμούνται την πρώιμη Γη συνήθως ξεκινούν με καλά καθορισμένα συστατικά που έχουν ήδη καθαριστεί. Οι επιστήμονες καθαρίζουν επίσης τα ενδιάμεσα παραπροϊόντα, ειδικά για πολλαπλά στάδια χημικής αντίδρασης.

Η διαδικασία οδηγεί συχνά σε «εξαφανιστικά μικρές συγκεντρώσεις του επιθυμητού προϊόντος» ή η δημιουργία του μπορεί ακόμη και να ανασταλεί εντελώς, έγραψε η ομάδα. Οι αντιδράσεις απαιτούν επίσης πολλαπλούς χωρικά διαχωρισμένους θαλάμους, κάτι που σχεδόν δεν μοιάζει με το φυσικό περιβάλλον της Γης.

Η νέα μελέτη έλαβε έμπνευση από τη γεωλογία. Η Πρώιμη Γη είχε πολύπλοκα δίκτυα ρωγμών γεμάτα νερό που βρέθηκαν σε μια ποικιλία πετρωμάτων σε ηφαίστεια και γεωθερμικά συστήματα. Οι ρωγμές, που δημιουργήθηκαν από την υπερθέρμανση των πετρωμάτων, σχημάτισαν φυσικά «καλάμια» που θα μπορούσαν ενδεχομένως να φιλτράρουν ένα πολύπλοκο μείγμα μορίων χρησιμοποιώντας μια βαθμίδα θερμότητας.

Κάθε μόριο ευνοεί μια προτιμώμενη θερμοκρασία με βάση το μέγεθος και το ηλεκτρικό του φορτίο. Όταν εκτίθεται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, κινείται φυσικά προς την ιδανική επιλογή. Ονομάζεται θερμοφόρηση, η διαδικασία χωρίζει μια σούπα συστατικών σε πολλαπλά διακριτά στρώματα σε ένα βήμα.

Η ομάδα μιμήθηκε ένα μόνο λεπτό κάταγμα βράχου χρησιμοποιώντας έναν θάλαμο ροής θερμότητας. Περίπου στο μέγεθος μιας τραπεζικής κάρτας, ο θάλαμος είχε μικροσκοπικές ρωγμές πλάτους 170 μικρομέτρων, περίπου στο πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Για να δημιουργηθεί μια κλίση θερμοκρασίας, η μία πλευρά του θαλάμου θερμάνθηκε στους 104 βαθμούς Φαρενάιτ και η άλλη άκρη ψύχθηκε στους 77 βαθμούς Φαρενάιτ.

Σε μια πρώτη δοκιμή, η ομάδα πρόσθεσε ένα μείγμα πρεβιοτικών ενώσεων που περιελάμβανε αμινοξέα και νουκλεοτίδια DNA στον θάλαμο. Μετά από 18 ώρες, τα συστατικά χωρίστηκαν σε στρώματα όπως το τιραμισού. Για παράδειγμα, η γλυκίνη - το μικρότερο από τα αμινοξέα - συγκεντρώθηκε προς την κορυφή, ενώ άλλα αμινοξέα με υψηλότερη θερμοφορητική ισχύ κόλλησαν στο κάτω μέρος. Ομοίως, γράμματα DNA και άλλες χημικές ουσίες που συντηρούν τη ζωή διαχωρίστηκαν επίσης στις ρωγμές, με μερικές να εμπλουτίζονται έως και 45 τοις εκατό.

Αν και πολλά υποσχόμενο, το σύστημα δεν έμοιαζε με την πρώιμη Γη, η οποία είχε πολύ διασυνδεδεμένες ρωγμές που ποικίλλουν σε μέγεθος. Για να μιμηθεί καλύτερα τις φυσικές συνθήκες, η ομάδα στη συνέχεια δημιούργησε τρεις θαλάμους, με τον πρώτο να διακλαδίζεται σε δύο άλλους. Αυτό ήταν περίπου 23 φορές πιο αποτελεσματικό στον εμπλουτισμό των πρεβιοτικών χημικών από έναν μόνο θάλαμο.

Χρησιμοποιώντας μια προσομοίωση υπολογιστή, η ομάδα στη συνέχεια μοντελοποίησε τη συμπεριφορά ενός συστήματος διασυνδεδεμένου θαλάμου 20 επί 20, χρησιμοποιώντας έναν ρεαλιστικό ρυθμό ροής πρεβιοτικών χημικών ουσιών. Οι θάλαμοι εμπλούτισαν περαιτέρω την παρασκευή, με τη γλυκίνη να εμπλουτίζει πάνω από 2,000 φορές περισσότερο από άλλα αμινοξέα.

Χημικές αντιδράσεις

Τα καθαρότερα συστατικά είναι μια εξαιρετική αρχή για το σχηματισμό πολύπλοκων μορίων. Αλλά πολλές χημικές αντιδράσεις απαιτούν πρόσθετες χημικές ουσίες, οι οποίες πρέπει επίσης να εμπλουτιστούν. Εδώ, η ομάδα μηδένισε μια αντίδραση συρράπτοντας δύο μόρια γλυκίνης μεταξύ τους.

Στην καρδιά βρίσκεται το τριμεταφωσφορικό (TMP), το οποίο βοηθά στην καθοδήγηση της αντίδρασης. Το TMP είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον για την πρεβιοτική χημεία και ήταν σπάνιο στην πρώιμη Γη, εξήγησε η ομάδα, η οποία «καθιστά τον επιλεκτικό εμπλουτισμό της κρίσιμο». Ένας μόνο θάλαμος αύξησε τα επίπεδα TMP όταν αναμιγνύεται με άλλες χημικές ουσίες.

Χρησιμοποιώντας μια προσομοίωση υπολογιστή, ένα μείγμα TMP και γλυκίνης αύξησε το τελικό προϊόν - μια διπλασιασμένη γλυκίνη - κατά πέντε τάξεις μεγέθους.

«Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι κατά τα άλλα απαιτητικές πρεβιοτικές αντιδράσεις ενισχύονται μαζικά» με ροές θερμότητας που εμπλουτίζουν επιλεκτικά χημικές ουσίες σε διαφορετικές περιοχές, έγραψε η ομάδα.

Συνολικά, εξέτασαν πάνω από 50 πρεβιοτικά μόρια και βρήκαν ότι τα κατάγματα τα χώριζαν εύκολα. Επειδή κάθε ρωγμή μπορεί να έχει διαφορετικό μείγμα μορίων, θα μπορούσε να εξηγήσει την άνοδο πολλαπλών δομικών στοιχείων που διατηρούν τη ζωή.

Ωστόσο, το πώς τα δομικά στοιχεία της ζωής ενώθηκαν για να σχηματίσουν οργανισμούς παραμένει μυστήριο. Οι ροές θερμότητας και οι ρωγμές των βράχων είναι πιθανότατα μόνο ένα κομμάτι του παζλ. Η τελική δοκιμή θα είναι να δούμε εάν και πώς αυτά τα καθαρισμένα πρεβιοτικά συνδέονται για να σχηματίσουν ένα κύτταρο.

Πηγή εικόνας: Christof B. Mast

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας