Elämän alkuperä: kuinka kuumien kivien halkeamat ovat saattaneet käynnistää biokemian

Miten elämän rakennuspalikat saivat alkunsa?

Kysymys on askarruttanut tiedemiehiä pitkään. Varhainen maapallo oli täynnä kemikaaleja sisältäviä vesialtaita – ikiaikainen keitto. Silti seoksista syntyi elämää tukevia biomolekyylejä, jotka loivat pohjan ensimmäisten solujen ilmaantumiselle.

Elämä alkoi, kun kaksi komponenttia muodostui. Yksi niistä oli molekyylikantaja - kuten esimerkiksi DNA - geneettisten piirustusten välittämiseksi ja sekoittamiseksi. Toinen komponentti koostui proteiineista, työhevosista ja kehon rakenneosista.

Molemmat biomolekyylit ovat erittäin monimutkaisia. Ihmisillä DNA:ssa on neljä erilaista kemiallista "kirjainta", joita kutsutaan nukleotideiksi, kun taas proteiinit koostuvat 20 tyypistä aminohaposta. Komponentit ovat rakenteeltaan erilaisia ​​ja niiden luominen vaatii hieman erilaista kemiaa. Lopputuotteita on oltava riittävän suuria määriä, jotta ne voidaan yhdistää DNA:ksi tai proteiineihin.

Tutkijat voivat puhdistaa komponentit laboratoriossa lisäaineilla. Mutta se herättää kysymyksen: kuinka se tapahtui varhaisessa maassa?

Münchenin Ludwig Maximiliansin yliopiston tutkija tohtori Christof Mast ehdottaa, että vastaus voi olla halkeamia kivissä, kuten tulivuorissa tai geotermisissä järjestelmissä, joita oli runsaasti varhaisessa maassa. On mahdollista, että lämpötilaerot halkeamissa luonnollisesti erottavat ja konsentroivat biomolekyylikomponentteja, mikä tarjoaa passiivisen järjestelmän biomolekyylien puhdistamiseen.

Geologian inspiroimana tiimi kehitti suunnilleen pankkikortin kokoisia lämpövirtakammioita, joista jokaisessa oli pieniä murtumia lämpötilagradientilla. Kun annettiin aminohappojen tai nukleotidien seos - "prebioottinen seos" - komponentit erottuivat helposti.

Kammioiden lisääminen väkevöi edelleen kemikaaleja, jopa niitä, jotka olivat rakenteeltaan samanlaisia. Murtumien verkosto mahdollisti myös aminohappojen sitoutumisen, mikä oli ensimmäinen askel kohti toimivan proteiinin luomista.

"Yhteisten ohuiden murtumien ja halkeamien järjestelmien uskotaan olevan kaikkialla vulkaanisissa ja geotermisissä ympäristöissä," kirjoitti joukkue. Rikastoimalla prebioottisia kemikaaleja sellaiset järjestelmät olisivat voineet "tarjoaa vakaan liikkeellepaneva voiman luonnollisen elämän alkuperän laboratoriolle".

Panimoelämä

Noin neljä miljardia vuotta sitten maapallo oli vihamielinen ympäristö, meteoriittien lyömä ja täynnä tulivuorenpurkauksia. Silti jotenkin kaaoksen joukossa kemia loi ensimmäiset aminohapot, nukleotidit, rasvalipidit ja muut elämää tukevat rakennuspalikat.

Joka Näihin molekyyleihin vaikuttavista kemiallisista prosesseista keskustellaan. Kun jokainen tuli mukaan on myös arvoitus. Kuten "kana tai muna" -ongelma, DNA ja RNA ohjaavat proteiinien muodostumista soluissa - mutta molemmat geneettiset kantajat vaativat myös proteiineja replikoituakseen.

Yksi teoria ehdottaa sulfidianionit, jotka ovat molekyylejä, joita oli runsaasti varhaisissa Maan järvissä ja joissa, voisi olla linkki. Tulivuorenpurkauksissa syntyneet, vesialtaisiin liuenneet ne voivat nopeuttaa kemiallisia reaktioita, jotka muuttavat prebioottisia molekyylejä RNA:ksi. "RNA-maailman" hypoteesiksi kutsuttu ajatus viittaa siihen, että RNA oli ensimmäinen biomolekyyli, joka hellii maapalloa, koska se voi kuljettaa geneettistä tietoa ja nopeuttaa joitain kemiallisia reaktioita.

Toinen idea on meteorien törmäykset varhaiseen Maan synnyttämiin nukleotideihin, lipideihin ja aminohappoihin samanaikaisesti prosessin kautta, joka sisältää kaksi runsasta kemikaalia - yksi meteoreista ja toinen maapallosta - ja ripaus UV-valoa.

Mutta on yksi ongelma: jokainen rakennuspalikkasarja vaatii erilaisen kemiallisen reaktion. Pienistä rakenteellisista tai kemiallisista eroista riippuen on mahdollista, että yksi maantieteellinen sijainti on voinut olla vinossa kohti yhden tyyppistä prebioottista molekyyliä toisesta.

Miten? Uusi tutkimus julkaistiin vuonna luonto, tarjoaa vastauksen.

Tunneliverkot

Varhaista maapalloa jäljittelevät laboratoriokokeet alkavat yleensä hyvin määritellyillä ainesosilla, jotka on jo puhdistettu. Tutkijat puhdistavat myös välituotteita, erityisesti useissa kemiallisissa reaktiovaiheissa.

Prosessi johtaa usein "halutun tuotteen häviävän pieniin pitoisuuksiin" tai sen syntyminen voidaan jopa estää kokonaan, tiimi kirjoitti. Reaktiot vaativat myös useita avaruudellisesti erotettuja kammioita, jotka tuskin muistuttavat maapallon luonnollista ympäristöä.

Uusi tutkimus sai inspiraationsa geologiasta. Varhaisessa maapallossa oli monimutkaisia ​​vedellä täytettyjen halkeamien verkostoja, joita löydettiin erilaisista tulivuorten ja geotermisten järjestelmien kivistä. Ylikuumenevien kivien synnyttämät halkeamat muodostivat luonnollisia "olkia", jotka voivat mahdollisesti suodattaa monimutkaisen molekyyliseoksen lämpögradientin avulla.

Jokainen molekyyli suosii edullista lämpötilaa sen koon ja sähkövarauksen perusteella. Altistuessaan erilaisille lämpötiloille se liikkuu luonnollisesti kohti ihanteellinen valintaansa. Termoforeesiksi kutsuttu prosessi erottaa ainesosien keiton useisiin erillisiin kerroksiin yhdessä vaiheessa.

Tiimi matki yhtä ohutta kiven murtumaa käyttämällä lämpövirtauskammiota. Karkeasti pankkikortin kokoisessa kammiossa oli pieniä halkeamia, joiden halkaisija oli 170 mikrometriä, noin hiuksen leveydellä. Lämpötilagradientin luomiseksi kammion toinen puoli lämmitettiin 104 Fahrenheit-asteeseen ja toinen pää jäähdytettiin 77 Fahrenheit-asteeseen.

Ensimmäisessä testissä ryhmä lisäsi kammioon seoksen prebioottisia yhdisteitä, jotka sisälsivät aminohappoja ja DNA-nukleotideja. 18 tunnin kuluttua komponentit erottuivat kerroksiksi, kuten tiramisu. Esimerkiksi glysiini, pienin aminohapoista, keskittyi yläosaan, kun taas muut aminohapot, joilla on suurempi termoforeettinen vahvuus, tarttuivat pohjaan. Samoin halkeamissa erottuivat myös DNA-kirjaimet ja muut elämää ylläpitävät kemikaalit, joista osa rikastui jopa 45 prosenttia.

Vaikka järjestelmä oli lupaava, se ei muistuttanut varhaista Maata, jossa oli hyvin toisiinsa liittyviä halkeamia, joiden koko vaihtelee. Jäljitelläkseen paremmin luonnonolosuhteita, joukkue kootti seuraavaksi kolme kammiota, joista ensimmäinen haarautui kahdeksi muuksi. Tämä oli noin 23 kertaa tehokkaampi prebioottisten kemikaalien rikastamisessa kuin yksi kammio.

Tietokonesimulaatiolla tiimi mallinsi sitten 20 x 20 toisiinsa kytketyn kammiojärjestelmän käyttäytymistä käyttämällä realistista prebioottisten kemikaalien virtausnopeutta. Kammiot rikastivat haudutusta entisestään, ja glysiini rikasti yli 2,000 kertaa enemmän kuin muut aminohapot.

Kemialliset reaktiot

Puhtaammat ainesosat ovat loistava alku monimutkaisten molekyylien muodostumiselle. Mutta monet kemialliset reaktiot vaativat lisäkemikaaleja, joita on myös rikastettava. Tässä ryhmä nollautui reaktioon, jossa kaksi glysiinimolekyyliä ompelee yhteen.

Sydämessä on trimetafosfaattia (TMP), joka auttaa ohjaamaan reaktiota. TMP on erityisen mielenkiintoinen prebioottisen kemian kannalta, ja sitä oli vähän varhaisessa maassa, selitti tiimi, mikä "tekee sen valikoivasta rikastamisesta kriittistä". Yksi kammio lisäsi TMP-tasoja, kun sitä sekoitettiin muiden kemikaalien kanssa.

Tietokonesimulaatiolla TMP:n ja glysiinin sekoitus lisäsi lopputuotteen – kaksinkertaistetun glysiinin – määrää viidellä suuruusluokalla.

"Nämä tulokset osoittavat, että muutoin haastavia prebioottisia reaktioita tehostetaan massiivisesti" lämpövirroilla, jotka rikastavat valikoivasti kemikaaleja eri alueilla, tiimi kirjoitti.

Kaiken kaikkiaan he testasivat yli 50 prebioottista molekyyliä ja havaitsivat, että murtumat erottivat ne helposti. Koska jokaisessa halkeamassa voi olla erilainen sekoitus molekyylejä, se voi selittää useiden elämää ylläpitävien rakennuspalikoiden nousun.

Silti on mystistä, kuinka elämän rakennuspalikoita muodostivat organismeja. Lämpövirrat ja kiven halkeamat ovat todennäköisesti vain yksi palapeli. Lopullinen testi on nähdä, yhdistyvätkö nämä puhdistetut prebiootit solun muodostamiseksi ja miten.

Kuvan luotto: Christof B. Mast

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/