Elu päritolu: kuidas kuumade kivimite lõhed võisid biokeemia käivitada

Kuidas tekkisid elu ehituskivid?

See küsimus on teadlasi pikka aega ärritanud. Varajane Maa oli täis kemikaalirikkaid veekogusid – ürgset suppi. Ometi tekkisid segudest elu toetavad biomolekulid, mis panid aluse esimeste rakkude ilmumisele.

Elu sai alguse, kui tekkisid kaks komponenti. Üks neist oli molekulaarne kandja – nagu näiteks DNA – geneetiliste jooniste edasiandmiseks ja remiksimiseks. Teine komponent koosnes valkudest, tööhobustest ja keha struktuurielementidest.

Mõlemad biomolekulid on väga keerulised. Inimestel on DNA-l neli erinevat keemilist tähte, mida nimetatakse nukleotiidideks, samas kui valgud koosnevad 20 tüüpi aminohapetest. Komponentidel on erinev struktuur ja nende loomine nõuab veidi erinevat keemiat. Lõppsaadused peavad olema piisavalt suurtes kogustes, et siduda need DNA-ks või valkudeks.

Teadlased saavad komponente laboris lisandite abil puhastada. Kuid see tekitab küsimuse: kuidas see juhtus varajases Maa peal?

Müncheni Ludwig Maximiliansi ülikooli teadlase dr Christof Masti arvates võivad vastuseks olla praod kivimites, nagu need, mis leidusid vulkaanides või geotermilistes süsteemides, mida Maal oli palju. Võimalik, et temperatuuride erinevused mööda pragusid eraldavad ja kontsentreerivad loomulikult biomolekulide komponente, pakkudes passiivset süsteemi biomolekulide puhastamiseks.

Geoloogiast inspireerituna töötas meeskond välja ligikaudu pangakaardi suuruse soojusvoo kambrid, millest igaüks sisaldas väikseid temperatuurigradientidega murde. Aminohapete või nukleotiidide segu – “prebiootilise segu” manustamisel eraldusid komponendid kergesti.

Rohkemate kambrite lisamine kontsentreeris veelgi kemikaale, isegi neid, mis olid struktuurilt sarnased. Murdude võrgustik võimaldas ka aminohapetel siduda, mis oli esimene samm funktsionaalse valgu loomise suunas.

"Arvatakse, et omavahel seotud õhukeste luumurdude ja pragude süsteemid on vulkaanilistes ja geotermilistes keskkondades üldlevinud," kirjutas meeskond. Prebiootiliste kemikaalide rikastamisega oleksid sellised süsteemid "pakkunud püsiva liikumapaneva jõu loodusliku elu alguse laborile".

Pruulimise elu

Umbes neli miljardit aastat tagasi oli Maa vaenulik keskkond, mida möllasid meteoriidid ja vulkaanipurskeid. Kuid millegipärast tekitas keemia kaose keskel esimesed aminohapped, nukleotiidid, rasvlipiidid ja muud elu toetavad ehitusplokid.

Mis Nendele molekulidele kaasa aidanud keemilised protsessid on aruteluks. Kui iga kaasa tulnud on ka mõistatus. Nagu "kana või muna" probleem, suunavad DNA ja RNA valkude loomist rakkudes, kuid mõlemad geneetilised kandjad vajavad replitseerimiseks ka valke.

Üks teooria viitab sulfiidi anioonid, mis on molekulid, mida leidus ohtralt Maa varajastes järvedes ja jõgedes, võiks olla lüli. Vulkaanipursetes tekkinud ja veekogudesse lahustunud võivad need kiirendada keemilisi reaktsioone, mis muudavad prebiootilised molekulid RNA-ks. "RNA maailma" hüpoteesiks nimetatud idee viitab sellele, et RNA oli esimene biomolekul, mis Maad kaunistas, kuna see võib kanda geneetilist teavet ja kiirendada mõningaid keemilisi reaktsioone.

Teine idee on meteooride kokkupõrked varajastele Maale tekitatud nukleotiide, lipiide ja aminohappeid üheaegselt protsessi kaudu, mis hõlmab kahte rikkalikku kemikaali – üks meteooridest ja teine ​​Maalt – ja tilka UV-valgust.

Kuid on üks probleem: iga ehitusplokkide komplekt nõuab erinevat keemilist reaktsiooni. Sõltuvalt väikestest erinevustest struktuuris või keemias on võimalik, et üks geograafiline asukoht võis kalduda ühte tüüpi prebiootiliste molekulide suunas teise suhtes.

Kuidas? Uus uuring, mis avaldati aastal loodus, pakub vastust.

Tunnelivõrgud

Varasemat Maad jäljendavad laborikatsed algavad tavaliselt täpselt määratletud koostisosadega, mis on juba puhastatud. Teadlased puhastavad ka vahepealseid kõrvalsaadusi, eriti mitme keemilise reaktsiooni etapi jaoks.

Protsessi tulemuseks on sageli "soovitava toote kaduvalt väikesed kontsentratsioonid" või selle loomine võib isegi täielikult pärssida, kirjutas meeskond. Reaktsioonid nõuavad ka mitut ruumiliselt eraldatud kambrit, mis peaaegu ei sarnane Maa looduslikule keskkonnale.

Uus uuring sai inspiratsiooni geoloogiast. Varasel Maal oli keerulisi veega täidetud pragude võrgustikke, mis leiti mitmesugustes kivimites vulkaanides ja geotermilistes süsteemides. Kivide ülekuumenemisest tekkinud praod moodustasid looduslikud "kõrred", mis võivad potentsiaalselt filtreerida keerulist molekulide segu, kasutades soojusgradienti.

Iga molekul eelistab oma suuruse ja elektrilaengu alusel eelistatud temperatuuri. Erinevate temperatuuridega kokkupuutel liigub see loomulikult oma ideaalse valiku poole. Protsess, mida nimetatakse termoforeesiks, eraldab koostisosade supi ühes etapis mitmeks erinevaks kihiks.

Meeskond jäljendas ühte õhukest kivimurdu, kasutades soojusvoolukambrit. Ligikaudu pangakaardi suurusel kambril olid pisikesed 170 mikromeetrised praod, mis on umbes juuksekarva laiused. Temperatuurigradiendi loomiseks kuumutati kambri üks külg temperatuurini 104 kraadi Fahrenheiti ja teine ​​ots jahutati 77 kraadini Fahrenheiti.

Esimeses testis lisas meeskond kambrisse prebiootiliste ühendite segu, mis sisaldas aminohappeid ja DNA nukleotiide. 18 tunni pärast eraldusid komponendid kihtideks nagu tiramisu. Näiteks glütsiin – väikseim aminohapetest – kontsentreeriti ülespoole, samas kui teised suurema termoforeetilise tugevusega aminohapped kleepusid põhja. Samamoodi eraldusid pragudes ka DNA-tähed ja muud elu säilitavad kemikaalid, millest osa oli rikastatud kuni 45 protsenti.

Kuigi see süsteem oli paljulubav, ei sarnanenud see varajase Maaga, millel olid omavahel tihedalt seotud erineva suurusega praod. Looduslike tingimuste paremaks jäljendamiseks lõi meeskond järgmiseks kokku kolm kambrit, millest esimene hargnes kaheks teiseks. See oli prebiootiliste kemikaalide rikastamisel ligikaudu 23 korda tõhusam kui üks kamber.

Seejärel modelleeris meeskond arvutisimulatsiooni abil 20 korda 20 omavahel seotud kambrisüsteemi käitumist, kasutades prebiootiliste kemikaalide realistlikku voolukiirust. Kambrid rikastasid pruuli veelgi, glütsiin rikastas üle 2,000 korra rohkem kui teised aminohapped.

Keemilised reaktsioonid

Puhtamad koostisosad on suurepärane algus keeruliste molekulide moodustamiseks. Kuid paljud keemilised reaktsioonid nõuavad täiendavaid kemikaale, mida tuleb samuti rikastada. Siin nullis meeskond reaktsiooni, mis ühendas kaks glütsiini molekuli.

Südames on trimetafosfaat (TMP), mis aitab reaktsiooni juhtida. TMP on eriti huvitav prebiootilise keemia jaoks ja seda oli varajasel Maal vähe, selgitas meeskond, mis "muutub selle valikulise rikastamise kriitiliseks". Üks kamber suurendas TMP taset teiste kemikaalidega segamisel.

Arvutisimulatsiooni abil suurendas TMP ja glütsiini segu lõppprodukti - kahekordistunud glütsiini - viie suurusjärgu võrra.

"Need tulemused näitavad, et muidu raskeid prebiootilisi reaktsioone suurendatakse tohutult" soojusvoogudega, mis rikastavad valikuliselt kemikaale erinevates piirkondades, kirjutas meeskond.

Kokku testisid nad enam kui 50 prebiootilist molekuli ja leidsid, et luumurrud eraldasid need kergesti. Kuna igas praos võib olla erinev molekulide segu, võib see seletada mitmete elutähtsate ehitusplokkide esilekerkimist.

Siiski jääb saladuseks, kuidas elu ehituskivid organismide moodustamiseks kokku said. Soojusvood ja kivilõhed on tõenäoliselt vaid üks osa puslest. Lõplik test on näha, kas ja kuidas need puhastatud prebiootikumid ühenduvad raku moodustamiseks.

Pildi krediit: Christof B. Mast

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/