जीवन की उत्पत्ति: गर्म चट्टानों में दरारों ने जैव रसायन विज्ञान को कैसे गति दी है

जीवन के निर्माण खंडों की उत्पत्ति कैसे हुई?

यह सवाल लंबे समय से वैज्ञानिकों को परेशान कर रहा है। प्रारंभिक पृथ्वी रसायनों से भरपूर पानी के तालाबों से भरी हुई थी - एक आदिम सूप। फिर भी जीवन का समर्थन करने वाले बायोमोलेक्यूल्स मिश्रण से उभरे, जिन्होंने पहली कोशिकाओं की उपस्थिति के लिए मंच तैयार किया।

जब दो घटक बने तो जीवन की शुरुआत हुई। एक आणविक वाहक था - जैसे, उदाहरण के लिए, डीएनए - आनुवंशिक ब्लूप्रिंट को पारित करने और रीमिक्स करने के लिए। अन्य घटक प्रोटीन, वर्कहॉर्स और शरीर के संरचनात्मक तत्वों से बना था।

दोनों जैव अणु अत्यधिक जटिल हैं। मनुष्यों में, डीएनए में चार अलग-अलग रासायनिक "अक्षर" होते हैं, जिन्हें न्यूक्लियोटाइड कहा जाता है, जबकि प्रोटीन 20 प्रकार के अमीनो एसिड से बने होते हैं। घटकों की अलग-अलग संरचनाएँ होती हैं, और उनके निर्माण के लिए थोड़ी अलग रसायन विज्ञान की आवश्यकता होती है। अंतिम उत्पादों को इतनी बड़ी मात्रा में होना चाहिए कि उन्हें डीएनए या प्रोटीन में एक साथ जोड़ा जा सके।

वैज्ञानिक एडिटिव्स का उपयोग करके प्रयोगशाला में घटकों को शुद्ध कर सकते हैं। लेकिन यह सवाल उठता है: प्रारंभिक पृथ्वी पर यह कैसे हुआ?

म्यूनिख के लुडविग मैक्सिमिलियंस विश्वविद्यालय के शोधकर्ता डॉ. क्रिस्टोफ़ मास्ट का सुझाव है कि इसका उत्तर, चट्टानों में दरारें हो सकता है जैसे ज्वालामुखी या भू-तापीय प्रणालियों में होती हैं जो प्रारंभिक पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में थीं। यह संभव है कि दरारों के साथ तापमान का अंतर स्वाभाविक रूप से बायोमोलेक्यूल घटकों को अलग और केंद्रित करता है, जो बायोमोलेक्यूल्स को शुद्ध करने के लिए एक निष्क्रिय प्रणाली प्रदान करता है।

भूविज्ञान से प्रेरित होकर, टीम ने लगभग एक बैंक कार्ड के आकार के ऊष्मा प्रवाह कक्ष विकसित किए, जिनमें से प्रत्येक में तापमान प्रवणता के साथ छोटे-छोटे फ्रैक्चर थे। जब अमीनो एसिड या न्यूक्लियोटाइड्स का मिश्रण दिया जाता है - एक "प्रीबायोटिक मिश्रण" - तो घटक आसानी से अलग हो जाते हैं।

अधिक कक्ष जोड़ने से रसायन और अधिक सघन हो गए, यहाँ तक कि वे भी जिनकी संरचना समान थी। फ्रैक्चर के नेटवर्क ने अमीनो एसिड को बंधन में भी सक्षम बनाया, जो एक कार्यात्मक प्रोटीन बनाने की दिशा में पहला कदम था।

"परस्पर जुड़े पतले फ्रैक्चर और दरारों की प्रणालियाँ...ज्वालामुखीय और भूतापीय वातावरण में सर्वव्यापी मानी जाती हैं," लिखा था टीम। प्रीबायोटिक रसायनों को समृद्ध करके, ऐसी प्रणालियाँ "जीवन की प्राकृतिक उत्पत्ति वाली प्रयोगशाला के लिए एक स्थिर प्रेरक शक्ति प्रदान कर सकती थीं।"

ब्रूइंग लाइफ

लगभग चार अरब साल पहले, पृथ्वी एक प्रतिकूल वातावरण थी, उल्कापिंडों से प्रभावित और ज्वालामुखी विस्फोटों से भरपूर थी। फिर भी किसी तरह अराजकता के बीच, रसायन विज्ञान ने पहले अमीनो एसिड, न्यूक्लियोटाइड, फैटी लिपिड और जीवन का समर्थन करने वाले अन्य बिल्डिंग ब्लॉक उत्पन्न किए।

कौन सा इन अणुओं में योगदान देने वाली रासायनिक प्रक्रियाओं पर बहस चल रही है। . प्रत्येक का साथ आना भी एक पहेली है। "चिकन या अंडे" की समस्या की तरह, डीएनए और आरएनए कोशिकाओं में प्रोटीन के निर्माण को निर्देशित करते हैं - लेकिन दोनों आनुवंशिक वाहकों को भी दोहराने के लिए प्रोटीन की आवश्यकता होती है।

एक सिद्धांत सुझाता है सल्फाइडिक आयन, जो अणु हैं जो प्रारंभिक पृथ्वी की झीलों और नदियों में प्रचुर मात्रा में थे, लिंक हो सकते हैं। ज्वालामुखी विस्फोटों में उत्पन्न, एक बार पानी के पूल में घुलने पर वे रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज कर सकते हैं जो प्रीबायोटिक अणुओं को आरएनए में परिवर्तित करते हैं। इसे "आरएनए विश्व" परिकल्पना कहा जाता है, यह विचार बताता है कि आरएनए पृथ्वी पर आने वाला पहला जैव-अणु था क्योंकि यह आनुवंशिक जानकारी ले सकता है और कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज कर सकता है।

एक अन्य विचार प्रारंभिक पृथ्वी पर उल्का प्रभाव एक साथ न्यूक्लियोटाइड, लिपिड और अमीनो एसिड उत्पन्न करता है, एक प्रक्रिया के माध्यम से जिसमें दो प्रचुर मात्रा में रसायन शामिल होते हैं - एक उल्का से और दूसरा पृथ्वी से - और यूवी प्रकाश का एक झटका।

लेकिन एक समस्या है: बिल्डिंग ब्लॉक्स के प्रत्येक सेट को एक अलग रासायनिक प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है। संरचना या रसायन विज्ञान में मामूली अंतर के आधार पर, यह संभव है कि एक भौगोलिक स्थान एक प्रकार के प्रीबायोटिक अणु की तुलना में दूसरे की ओर झुक गया हो।

कैसे? नया अध्ययन, में प्रकाशित हुआ प्रकृति, एक उत्तर प्रदान करता है।

सुरंग नेटवर्क

प्रारंभिक पृथ्वी की नकल करने वाले प्रयोगशाला प्रयोग आमतौर पर अच्छी तरह से परिभाषित सामग्रियों से शुरू होते हैं जिन्हें पहले ही शुद्ध किया जा चुका है। वैज्ञानिक मध्यवर्ती उप-उत्पादों को भी साफ़ करते हैं, विशेष रूप से कई रासायनिक प्रतिक्रिया चरणों के लिए।

टीम ने लिखा है कि इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप अक्सर "वांछित उत्पाद की छोटी सांद्रता गायब हो जाती है", या इसका निर्माण पूरी तरह से बाधित भी हो सकता है। प्रतिक्रियाओं के लिए कई स्थानिक रूप से अलग किए गए कक्षों की भी आवश्यकता होती है, जो शायद ही पृथ्वी के प्राकृतिक वातावरण से मिलता जुलता हो।

नए अध्ययन ने भूविज्ञान से प्रेरणा ली। प्रारंभिक पृथ्वी में ज्वालामुखियों और भूतापीय प्रणालियों में विभिन्न प्रकार की चट्टानों में पाई जाने वाली पानी से भरी दरारों का जटिल नेटवर्क था। चट्टानों के अत्यधिक गर्म होने से उत्पन्न दरारें, प्राकृतिक "तिनके" का निर्माण करती हैं जो संभावित रूप से ताप प्रवणता का उपयोग करके अणुओं के एक जटिल मिश्रण को फ़िल्टर कर सकती हैं।

प्रत्येक अणु अपने आकार और विद्युत आवेश के आधार पर पसंदीदा तापमान का पक्ष लेता है। विभिन्न तापमानों के संपर्क में आने पर, यह स्वाभाविक रूप से अपने आदर्श चयन की ओर बढ़ता है। थर्मोफोरेसिस कहलाती है, यह प्रक्रिया एक चरण में सामग्री के सूप को कई अलग-अलग परतों में अलग करती है।

टीम ने ताप प्रवाह कक्ष का उपयोग करके एकल पतली चट्टान के फ्रैक्चर की नकल की। मोटे तौर पर एक बैंक कार्ड के आकार के, चैम्बर में 170 माइक्रोमीटर की छोटी दरारें थीं, जो एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर थीं। तापमान प्रवणता बनाने के लिए, कक्ष के एक तरफ को 104 डिग्री फ़ारेनहाइट तक गर्म किया गया और दूसरे छोर को 77 डिग्री फ़ारेनहाइट तक ठंडा किया गया।

पहले परीक्षण में, टीम ने चेंबर में प्रीबायोटिक यौगिकों का मिश्रण डाला जिसमें अमीनो एसिड और डीएनए न्यूक्लियोटाइड शामिल थे। 18 घंटों के बाद, घटक तिरामिसु जैसी परतों में अलग हो गए। उदाहरण के लिए, ग्लाइसिन - अमीनो एसिड में सबसे छोटा - ऊपर की ओर केंद्रित हो गया, जबकि उच्च थर्मोफोरेटिक शक्ति वाले अन्य अमीनो एसिड नीचे की ओर चिपक गए। इसी तरह, डीएनए अक्षर और अन्य जीवन-निर्वाह रसायन भी दरारों में अलग हो गए, जिनमें से कुछ 45 प्रतिशत तक समृद्ध हुए।

यद्यपि आशाजनक था, यह प्रणाली आरंभिक पृथ्वी से मिलती-जुलती नहीं थी, जिसमें अलग-अलग आकार की अत्यधिक परस्पर जुड़ी हुई दरारें थीं। प्राकृतिक परिस्थितियों की बेहतर नकल करने के लिए, टीम ने आगे तीन कक्ष बनाए, जिनमें से पहले को दो अन्य में विभाजित किया गया। यह एकल कक्ष की तुलना में प्रीबायोटिक रसायनों को समृद्ध करने में लगभग 23 गुना अधिक कुशल था।

कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, टीम ने प्रीबायोटिक रसायनों की यथार्थवादी प्रवाह दर का उपयोग करते हुए, 20-बाई-20 इंटरलिंक्ड चैम्बर प्रणाली के व्यवहार का मॉडल तैयार किया। चैंबरों ने ब्रू को और अधिक समृद्ध किया, जिसमें ग्लाइसिन अन्य अमीनो एसिड की तुलना में 2,000 गुना अधिक समृद्ध था।

रसायनिक प्रतिक्रिया

जटिल अणुओं के निर्माण के लिए क्लीनर सामग्री एक बेहतरीन शुरुआत है। लेकिन बहुत सी रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए अतिरिक्त रसायनों की आवश्यकता होती है, जिन्हें समृद्ध करने की भी आवश्यकता होती है। यहां, टीम ने दो ग्लाइसिन अणुओं को एक साथ जोड़ने वाली प्रतिक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया।

हृदय में ट्राइमेटाफॉस्फेट (टीएमपी) होता है, जो प्रतिक्रिया को निर्देशित करने में मदद करता है। टीएमपी विशेष रूप से प्रीबायोटिक रसायन विज्ञान के लिए दिलचस्प है, और प्रारंभिक पृथ्वी पर यह दुर्लभ था, टीम ने समझाया, जो "इसके चयनात्मक संवर्धन को महत्वपूर्ण बनाता है।" अन्य रसायनों के साथ मिश्रित होने पर एक एकल कक्ष ने टीएमपी स्तर बढ़ा दिया।

एक कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, एक टीएमपी और ग्लाइसिन मिश्रण ने अंतिम उत्पाद - एक दोगुना ग्लाइसीन - को परिमाण के पांच आदेशों तक बढ़ा दिया।

टीम ने लिखा, "इन परिणामों से पता चलता है कि अन्यथा चुनौतीपूर्ण प्रीबायोटिक प्रतिक्रियाओं को बड़े पैमाने पर बढ़ावा मिलता है" गर्मी के प्रवाह के साथ जो विभिन्न क्षेत्रों में रसायनों को चुनिंदा रूप से समृद्ध करता है।

कुल मिलाकर, उन्होंने 50 से अधिक प्रीबायोटिक अणुओं का परीक्षण किया और पाया कि फ्रैक्चर ने उन्हें आसानी से अलग कर दिया। क्योंकि प्रत्येक दरार में अणुओं का एक अलग मिश्रण हो सकता है, यह कई जीवन-निर्वाह बिल्डिंग ब्लॉकों के उदय की व्याख्या कर सकता है।

फिर भी, जीवन के निर्माण खंड कैसे एक साथ आकर जीव बने यह रहस्यमय बना हुआ है। गर्मी का प्रवाह और चट्टानों की दरारें संभवतः पहेली का सिर्फ एक हिस्सा हैं। अंतिम परीक्षण यह देखना होगा कि क्या, और कैसे, ये शुद्ध प्रीबायोटिक्स एक कोशिका बनाने के लिए जुड़ते हैं।

छवि क्रेडिट: क्रिस्टोफ़ बी. मस्त

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• स्रोत: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/