Az élet eredete: Hogyan indíthatták be a biokémiát a forró sziklák repedései

Hogyan keletkeztek az élet építőkövei?

A kérdés régóta foglalkoztatja a tudósokat. A korai Földet vegyi anyagokban gazdag víztócsák tarkították – egy ősi leves. A keverékekből mégis előkerültek az életet támogató biomolekulák, megalapozva az első sejtek megjelenését.

Az élet akkor indult be, amikor két összetevő alakult ki. Az egyik egy molekuláris hordozó volt – mint például a DNS – a genetikai tervrajzok továbbadására és újrakeverésére. A másik komponenst a fehérjék, az igáslovak és a szervezet szerkezeti elemei alkották.

Mindkét biomolekula rendkívül összetett. Emberben a DNS-nek négy különböző kémiai „betűje” van, amelyeket nukleotidoknak neveznek, míg a fehérjék 20 típusú aminosavból állnak. Az összetevők eltérő szerkezettel rendelkeznek, és létrehozásukhoz kissé eltérő kémia szükséges. A végtermékeknek elég nagy mennyiségben kell lenniük ahhoz, hogy összefűzzék őket DNS-vé vagy fehérjékké.

A tudósok a laboratóriumban adalékanyagok segítségével tisztíthatják az összetevőket. De felveti a kérdést: hogyan történt ez a korai Földön?

Dr. Christof Mast, a müncheni Ludwig Maximilians Egyetem kutatója azt sugallja, hogy a válasz olyan repedések lehetnek a kőzetekben, mint a vulkánokban vagy a geotermikus rendszerekben, amelyek bőségesen előfordultak a Föld korai szakaszán. Lehetséges, hogy a repedések mentén kialakuló hőmérséklet-különbségek természetesen elválasztják és koncentrálják a biomolekulák komponenseit, passzív rendszert biztosítva a biomolekulák tisztításához.

A geológia ihletésére a csapat nagyjából egy bankkártya méretű hőáramlási kamrákat fejlesztett ki, amelyek mindegyike apró töréseket tartalmazott hőmérsékleti gradienssel. Ha aminosavak vagy nukleotidok keverékét – egy „prebiotikus keveréket” – adják, az összetevők könnyen szétválnak.

Több kamra hozzáadása tovább koncentrálta a vegyszereket, még azokat is, amelyek szerkezetükben hasonlóak voltak. A törések hálózata lehetővé tette az aminosavak kötődését is, ami az első lépés a funkcionális fehérje létrehozása felé.

„Az egymással összefüggő vékony törések és repedések rendszerei… úgy gondolják, hogy mindenütt jelen vannak vulkáni és geotermikus környezetben” írt a csapat. A prebiotikus vegyszerek dúsításával az ilyen rendszerek „állandó hajtóerőt jelenthettek volna az élet természetes eredetét kutató laboratórium számára”.

Brewing Life

Körülbelül négymilliárd évvel ezelőtt a Föld ellenséges környezet volt, meteoritokkal és vulkánkitörésekkel teli. Valahogy a káoszban mégis a kémia hozta létre az első aminosavakat, nukleotidokat, zsírlipideket és más építőelemeket, amelyek támogatják az életet.

Melyik Az ezekhez a molekulákhoz hozzájáruló kémiai folyamatok vita tárgyát képezik. Amikor mindegyik jött egy rejtély is. Mint egy „csirke vagy tojás” probléma, a DNS és az RNS irányítja a fehérjék létrehozását a sejtekben – de mindkét genetikai hordozónak fehérjékre van szüksége a replikációhoz.

Egy elmélet azt sugallja szulfidanionok, amelyek a Föld korai tavaiban és folyóiban bőségesen előforduló molekulák lehetnek a link. A vulkánkitörések során keletkező, vízmedencékben való oldódás után felgyorsíthatják a prebiotikus molekulákat RNS-vé alakító kémiai reakciókat. Az „RNS-világ” hipotézisnek nevezett elképzelés azt sugallja, hogy az RNS volt az első biomolekula, amely megkíméli a Földet, mivel genetikai információt hordozhat, és felgyorsíthat bizonyos kémiai reakciókat.

Egy másik ötlet A meteor becsapódása a korai Földön, nukleotidokat, lipideket és aminosavakat egyidejűleg generált, egy olyan folyamaton keresztül, amely két bőséges vegyi anyagot – az egyiket meteorokból, a másikat a Földről – és egy csipetnyi UV-fényt tartalmaz.

De van egy probléma: minden építőelem-készlet más kémiai reakciót igényel. A szerkezet vagy a kémia enyhe eltéréseitől függően lehetséges, hogy az egyik földrajzi hely egyfajta prebiotikus molekula felé torzult a másikhoz képest.

Hogyan? Az új tanulmány, amely ben jelent meg Természet, kínál választ.

Alagúthálózatok

A korai Földet utánzó laboratóriumi kísérletek általában jól meghatározott, már megtisztított összetevőkkel kezdődnek. A tudósok a köztes melléktermékeket is megtisztítják, különösen több kémiai reakciólépéshez.

A folyamat gyakran „eltűnően kis koncentrációt eredményez a kívánt termékből”, vagy akár teljesen meg is akadályozható a keletkezése – írta a csapat. A reakciókhoz több térben elválasztott kamra is szükséges, ami aligha hasonlít a Föld természetes környezetéhez.

Az új tanulmány a geológiából merített ihletet. A korai Földön vízzel teli repedések komplex hálózatai voltak, amelyeket különféle kőzetekben találtak vulkánokban és geotermikus rendszerekben. A sziklák túlmelegedése miatt keletkezett repedések természetes „szalmákat” képeztek, amelyek potenciálisan kiszűrhetik a molekulák összetett keverékét hőgradiens segítségével.

Mindegyik molekula előnyben részesíti a kívánt hőmérsékletet a mérete és az elektromos töltése alapján. Különböző hőmérsékleteknek kitéve természetesen az ideális választás felé halad. A termoforézisnek nevezett eljárás egyetlen lépésben szétválasztja az összetevők levest több különálló rétegre.

A csapat egyetlen vékony kőzetrepedést utánzott egy hőáramlási kamra segítségével. Nagyjából egy bankkártya méretű kamrában apró, 170 mikrométer átmérőjű repedések voltak, körülbelül egy hajszál szélességében. A hőmérsékleti gradiens létrehozásához a kamra egyik oldalát 104 Fahrenheit-fokra melegítették, a másik végét pedig 77 Fahrenheit-fokra hűtötték.

Az első teszt során a csapat prebiotikus vegyületek keverékét adta a kamrába, amely aminosavakat és DNS-nukleotidokat tartalmazott. 18 óra elteltével a komponensek olyan rétegekre váltak szét, mint a tiramisu. Például a glicin – a legkisebb aminosav – a tetejére koncentrálódott, míg a többi, nagyobb termoforetikus erővel rendelkező aminosav az aljára tapadt. Hasonlóképpen, DNS-betűk és más életfenntartó vegyszerek is elváltak a repedésekben, amelyek közül néhány akár 45 százalékkal is dúsult.

Bár ígéretes volt, a rendszer nem hasonlított a korai Földre, amelyen különböző méretű repedések voltak egymással szorosan összefüggően. A természetes körülmények jobb utánzása érdekében a csapat ezután három kamrát fűzött fel, amelyek közül az első két másikba ágazott el. Ez nagyjából 23-szor hatékonyabb volt a prebiotikus vegyszerek dúsításában, mint egy kamra.

A csapat ezután számítógépes szimuláció segítségével modellezte egy 20x20-as összekapcsolt kamrarendszer viselkedését, prebiotikus vegyszerek reális áramlási sebességével. A kamrák tovább dúsították a főzetet, a glicin több mint 2,000-szer többet dúsított, mint más aminosavak.

Kémiai reakciók

A tisztább összetevők nagyszerű kiindulópontok az összetett molekulák kialakulásához. De sok kémiai reakcióhoz további vegyszerekre van szükség, amelyeket szintén dúsítani kell. Itt a csapat nullázott egy reakciót, amely két glicinmolekulát fűz össze.

A szívben a trimetafoszfát (TMP) található, amely segít irányítani a reakciót. A TMP különösen érdekes a prebiotikus kémia számára, és a korai Földön ritkán volt jelen, magyarázta a csapat, ami „kritikussá teszi a szelektív dúsítását”. Egy kamra növelte a TMP-szintet, ha más vegyszerekkel keverték össze.

Számítógépes szimuláció segítségével a TMP és a glicin keveréke öt nagyságrenddel növelte a végterméket – a megduplázott glicint.

„Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az egyébként kihívást jelentő prebiotikus reakciókat nagymértékben felgyorsítják” a hőáramlás, amely szelektíven dúsítja a vegyi anyagokat a különböző régiókban – írta a csapat.

Összességében több mint 50 prebiotikus molekulát teszteltek, és azt találták, hogy a törések könnyen elválasztják őket. Mivel minden repedés eltérő molekulakeveréket tartalmazhat, ez megmagyarázhatja több életfenntartó építőelem kialakulását.

Mégis, továbbra is rejtélyes, hogy az élet építőkövei hogyan jöttek létre organizmusokká. A hőáramlás és a sziklarepedések valószínűleg csak egy darabja a kirakósnak. A végső teszt annak megállapítása lesz, hogy ezek a tisztított prebiotikumok összekapcsolódnak-e, és hogyan képződnek sejtet.

A kép forrása: Christof B. Mast

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/