منشأ زندگی: چگونه شکاف‌ها در سنگ‌های داغ ممکن است بیوشیمی را آغاز کنند

منشأ زندگی: چگونه شکاف‌ها در سنگ‌های داغ می‌توانند بیوشیمی را آغاز کنند

تمبر زمان: 5 آوریل 2024، 3:17 بعد از ظهر
منشأ زندگی: چگونه شکاف‌ها در سنگ‌های داغ می‌توانند بیوشیمی را به هوش داده پلاتو بلاک چین راه‌اندازی کنند. جستجوی عمودی Ai.

اجزای سازنده زندگی چگونه به وجود آمدند؟

این سوال مدت هاست که دانشمندان را آزار می دهد. زمین اولیه مملو از حوضچه های آب غنی از مواد شیمیایی بود - یک سوپ اولیه. با این حال، مولکول‌های زیستی حامی حیات از این مخلوط‌ها پدید آمدند و زمینه را برای ظهور اولین سلول‌ها فراهم کردند.

زندگی زمانی شروع شد که دو جزء شکل گرفتند. یکی از آنها یک حامل مولکولی بود - برای مثال، DNA - برای انتقال و ترکیب مجدد نقشه های ژنتیکی. جزء دیگر از پروتئین ها، اسب های کار و عناصر ساختاری بدن تشکیل شده بود.

هر دو بیومولکول بسیار پیچیده هستند. در انسان، DNA دارای چهار "حرف" شیمیایی مختلف به نام نوکلئوتید است، در حالی که پروتئین ها از 20 نوع اسید آمینه ساخته شده اند. اجزاء دارای ساختارهای متمایز هستند و ایجاد آنها به شیمی کمی متفاوت نیاز دارد. محصولات نهایی باید به اندازه کافی زیاد باشند تا بتوان آنها را به DNA یا پروتئین متصل کرد.

دانشمندان می‌توانند با استفاده از افزودنی‌ها، اجزا را در آزمایشگاه خالص کنند. اما این سوال پیش می‌آید: چگونه در زمین اولیه اتفاق افتاد؟

پاسخ، دکتر کریستوف ماست، محقق دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیانس مونیخ، پیشنهاد می‌کند که ممکن است شکاف‌هایی در سنگ‌ها باشد، مانند شکاف‌هایی که در آتشفشان‌ها یا سیستم‌های زمین‌گرمایی به وفور در زمین اولیه وجود داشتند. این امکان وجود دارد که تفاوت های دما در امتداد شکاف ها به طور طبیعی اجزای زیست مولکول را جدا و متمرکز کند و یک سیستم غیرفعال برای خالص سازی مولکول های زیستی ایجاد کند.

این تیم با الهام از زمین شناسی، محفظه های جریان گرما را تقریباً به اندازه یک کارت بانکی توسعه دادند که هر کدام حاوی شکستگی های کوچک با گرادیان دما بود. هنگامی که مخلوطی از آمینو اسیدها یا نوکلئوتیدها - یک "ترکیب پری بیوتیک" - به آنها داده می شود، اجزا به راحتی جدا می شوند.

افزودن محفظه های بیشتر مواد شیمیایی را بیشتر متمرکز کرد، حتی آنهایی که از نظر ساختار مشابه بودند. شبکه شکستگی ها همچنین اسیدهای آمینه را قادر به پیوند می کند که اولین گام برای ایجاد یک پروتئین کاربردی است.

سیستم‌های شکستگی‌ها و شکاف‌های نازک به هم پیوسته... تصور می‌شود در محیط‌های آتشفشانی و زمین گرمایی همه‌جا وجود دارند. نوشت تیم. با غنی‌سازی مواد شیمیایی پری بیوتیک، چنین سیستم‌هایی می‌توانستند «نیروی محرکه ثابتی برای یک آزمایشگاه طبیعی منشأ حیات فراهم کنند».

دم کردن زندگی

حدود چهار میلیارد سال پیش، زمین یک محیط خصمانه بود که توسط شهاب سنگ ها کوبیده شده بود و مملو از فوران های آتشفشانی بود. با این حال، به نوعی در میان هرج و مرج، شیمی اولین اسیدهای آمینه، نوکلئوتیدها، لیپیدهای چرب و سایر بلوک‌های ساختمانی را تولید کرد که از زندگی پشتیبانی می‌کنند.

برای فرآیندهای شیمیایی کمک به این مولکول ها مورد بحث است. چه زمانی هر یک از آنها نیز یک معماست. مانند مشکل «مرغ یا تخم‌مرغ»، DNA و RNA تولید پروتئین‌ها را در سلول‌ها هدایت می‌کنند – اما هر دو ناقل ژنتیکی نیز برای تکثیر به پروتئین نیاز دارند.

یک نظریه پیشنهاد می کند آنیون های سولفیدیکه مولکول‌هایی هستند که در دریاچه‌ها و رودخانه‌های اولیه زمین به وفور یافت می‌شوند، می‌توانند پیوند دهنده باشند. در فوران های آتشفشانی ایجاد می شوند و پس از حل شدن در حوضچه های آب می توانند واکنش های شیمیایی را تسریع بخشند که مولکول های پری بیوتیک را به RNA تبدیل می کنند. این ایده که فرضیه «دنیای RNA» نامیده می‌شود، نشان می‌دهد که RNA اولین مولکول زیستی بود که به زمین لطف کرد، زیرا می‌تواند اطلاعات ژنتیکی را حمل کند و برخی واکنش‌های شیمیایی را سرعت بخشد.

یک ایده دیگر برخورد شهاب‌ها بر نوکلئوتیدها، لیپیدها و آمینواسیدهای اولیه زمین است که به طور همزمان از طریق فرآیندی شامل دو ماده شیمیایی فراوان - یکی از شهاب‌ها و دیگری از زمین - و مقداری پرتو فرابنفش است.

اما یک مشکل وجود دارد: هر مجموعه ای از بلوک های سازنده به واکنش شیمیایی متفاوتی نیاز دارد. بسته به تفاوت‌های جزئی در ساختار یا شیمی، این امکان وجود دارد که یک مکان جغرافیایی به سمت یک نوع مولکول پری‌بیوتیک نسبت به دیگری منحرف شده باشد.

چگونه؟ مطالعه جدید، منتشر شده در طبیعت، پاسخی ارائه می دهد.

شبکه های تونلی

آزمایش‌های آزمایشگاهی تقلید از زمین اولیه معمولاً با مواد کاملاً مشخصی شروع می‌شوند که قبلاً خالص شده‌اند. دانشمندان همچنین محصولات جانبی میانی را، به ویژه برای چندین مرحله واکنش شیمیایی، تمیز می کنند.

تیم تحقیقاتی نوشت: این فرآیند اغلب منجر به "غلظت های ناپدید کننده کوچک محصول مورد نظر" می شود، یا حتی می توان از ایجاد آن به طور کامل جلوگیری کرد. این واکنش‌ها همچنین به اتاق‌های متعدد جدا شده از هم نیاز دارند که به سختی شبیه محیط طبیعی زمین است.

مطالعه جدید از زمین شناسی الهام گرفته است. زمین اولیه دارای شبکه های پیچیده ای از شکاف های پر از آب بود که در انواع سنگ ها در آتشفشان ها و سیستم های زمین گرمایی یافت می شد. ترک‌ها که در اثر گرمای بیش از حد سنگ‌ها ایجاد می‌شوند، «نی‌های» طبیعی را تشکیل می‌دهند که به طور بالقوه می‌توانند ترکیب پیچیده‌ای از مولکول‌ها را با استفاده از گرادیان حرارتی فیلتر کنند.

هر مولکول بر اساس اندازه و بار الکتریکی خود، دمای مطلوبی را ترجیح می دهد. هنگامی که در معرض دماهای مختلف قرار می گیرد، به طور طبیعی به سمت انتخاب ایده آل خود حرکت می کند. این فرآیند که ترموفورزیس نامیده می شود، یک سوپ از مواد را در یک مرحله به چندین لایه مجزا جدا می کند.

این تیم با استفاده از یک محفظه جریان گرما، یک شکستگی سنگ نازک را تقلید کردند. این محفظه تقریباً به اندازه یک کارت بانکی دارای شکاف های کوچکی به وسعت 170 میکرومتر، تقریباً به اندازه عرض یک موی انسان بود. برای ایجاد یک گرادیان دما، یک طرف محفظه تا 104 درجه فارنهایت گرم شد و طرف دیگر تا 77 درجه فارنهایت سرد شد.

در اولین آزمایش، این تیم ترکیبی از ترکیبات پری بیوتیک را که شامل آمینو اسیدها و نوکلئوتیدهای DNA بود به محفظه اضافه کردند. پس از 18 ساعت، اجزا به لایه هایی مانند تیرامیسو جدا شدند. به عنوان مثال، گلیسین - کوچکترین اسید آمینه - به سمت بالا متمرکز شد، در حالی که سایر اسیدهای آمینه با قدرت حرارتی بالاتر به پایین چسبیدند. به طور مشابه، حروف DNA و سایر مواد شیمیایی حیاتی نیز در شکاف ها از هم جدا شدند که برخی از آنها تا 45 درصد غنی شدند.

اگرچه این سیستم امیدوارکننده بود، اما شبیه زمین اولیه که دارای ترک‌های بسیار بهم پیوسته با اندازه‌های متفاوت بود، نداشت. برای تقلید بهتر از شرایط طبیعی، تیم در مرحله بعد سه اتاقک را ایجاد کرد که اولی به دو اتاق دیگر منشعب شد. این تقریباً 23 برابر بیشتر از یک محفظه در غنی‌سازی مواد شیمیایی پری بیوتیک مؤثر بود.

با استفاده از یک شبیه سازی کامپیوتری، تیم سپس رفتار یک سیستم محفظه بهم پیوسته 20 در 20 را با استفاده از نرخ جریان واقعی مواد شیمیایی پری بیوتیک مدلسازی کردند. محفظه ها دم نوش را غنی تر کردند و گلیسین بیش از 2,000 برابر بیشتر از اسیدهای آمینه دیگر غنی شد.

واکنشهای شیمیایی

مواد پاک کننده شروعی عالی برای تشکیل مولکول های پیچیده هستند. اما بسیاری از واکنش های شیمیایی به مواد شیمیایی اضافی نیاز دارند که همچنین باید غنی شوند. در اینجا، تیم واکنشی را انجام داد که دو مولکول گلیسین را به هم پیوند زد.

در قلب تری متافسفات (TMP) وجود دارد که به هدایت واکنش کمک می کند. این تیم توضیح داد که TMP مخصوصاً برای شیمی پری بیوتیک جالب است و در زمین اولیه کمیاب بود، که "غنی سازی انتخابی آن را حیاتی می کند." یک محفظه واحد وقتی با سایر مواد شیمیایی مخلوط می شود، سطح TMP را افزایش می دهد.

با استفاده از یک شبیه‌سازی رایانه‌ای، ترکیب TMP و گلیسین، محصول نهایی - یک گلیسین دو برابر شده - را پنج مرتبه قدر افزایش داد.

تیم تحقیقاتی نوشت: «این نتایج نشان می‌دهد که در غیر این صورت واکنش‌های چالش‌برانگیز پری‌بیوتیک با جریان‌های گرمایی که به‌طور انتخابی مواد شیمیایی را در مناطق مختلف غنی می‌کنند، به شدت تقویت می‌شوند».

در مجموع، آنها بیش از 50 مولکول پری بیوتیک را آزمایش کردند و دریافتند که شکستگی ها به راحتی آنها را از هم جدا می کند. از آنجایی که هر ترک می‌تواند ترکیب متفاوتی از مولکول‌ها داشته باشد، می‌تواند ظهور بلوک‌های سازنده چندگانه حیاتی را توضیح دهد.

با این حال، چگونگی ترکیب بلوک های سازنده زندگی برای تشکیل ارگانیسم ها همچنان مرموز است. جریان گرما و شکاف سنگ احتمالا تنها بخشی از پازل هستند. آزمایش نهایی این است که ببینیم آیا و چگونه این پری بیوتیک های خالص شده برای تشکیل یک سلول به یکدیگر متصل می شوند.

اعتبار تصویر: Christof B. Mast

تمبر زمان:

بیشتر از تکینگی هاب