Asal Usul Kehidupan: Bagaimana Rekahan di Batuan Panas Mungkin Memulai Biokimia

Bagaimana asal usul unsur-unsur pembentuk kehidupan?

Pertanyaan ini telah lama membuat jengkel para ilmuwan. Bumi awal dipenuhi dengan genangan air yang kaya akan bahan kimia—sup purba. Namun biomolekul yang mendukung kehidupan muncul dari campuran tersebut, yang menjadi landasan munculnya sel pertama.

Kehidupan dimulai ketika dua komponen terbentuk. Salah satunya adalah pembawa molekuler—misalnya DNA—yang meneruskan dan mencampur ulang cetak biru genetik. Komponen lainnya terdiri dari protein, pekerja, dan elemen struktural tubuh.

Kedua biomolekul tersebut sangat kompleks. Pada manusia, DNA memiliki empat “huruf” kimia berbeda yang disebut nukleotida, sedangkan protein terbuat dari 20 jenis asam amino. Komponen-komponennya memiliki struktur yang berbeda, dan pembuatannya memerlukan kimia yang sedikit berbeda. Produk akhir harus dalam jumlah yang cukup besar untuk menyatukannya menjadi DNA atau protein.

Para ilmuwan dapat memurnikan komponen di laboratorium menggunakan bahan aditif. Namun hal ini menimbulkan pertanyaan: Bagaimana hal itu terjadi pada masa awal Bumi?

Jawabannya, menurut Dr. Christof Mast, peneliti di Ludwig Maximilians University of Munich, mungkin merupakan retakan pada batuan seperti yang terjadi di gunung berapi atau sistem panas bumi yang melimpah di masa awal Bumi. Ada kemungkinan bahwa perbedaan suhu di sepanjang retakan secara alami memisahkan dan memusatkan komponen biomolekul, sehingga menyediakan sistem pasif untuk memurnikan biomolekul.

Terinspirasi oleh geologi, tim mengembangkan ruang aliran panas kira-kira seukuran kartu bank, masing-masing berisi rekahan sangat kecil dengan gradien suhu. Ketika diberikan campuran asam amino atau nukleotida—sebuah “campuran prebiotik”—komponen-komponennya akan mudah terpisah.

Menambahkan lebih banyak ruang akan semakin mengkonsentrasikan bahan kimia, bahkan bahan kimia yang memiliki struktur serupa. Jaringan patahan juga memungkinkan asam amino berikatan, langkah pertama menuju penciptaan protein fungsional.

“Sistem retakan dan retakan tipis yang saling berhubungan… diperkirakan ada di mana-mana di lingkungan vulkanik dan panas bumi,” menulis tim. Dengan memperkaya bahan kimia prebiotik, sistem tersebut dapat “menyediakan kekuatan pendorong yang stabil bagi laboratorium asal usul kehidupan secara alami.”

Pembuatan Bir Kehidupan

Sekitar empat miliar tahun yang lalu, bumi merupakan lingkungan yang tidak bersahabat, dihantam meteorit dan penuh dengan letusan gunung berapi. Namun di tengah kekacauan tersebut, ilmu kimia menghasilkan asam amino, nukleotida, lipid lemak, dan bahan penyusun pertama lainnya yang mendukung kehidupan.

Yang proses kimia yang berkontribusi pada molekul-molekul ini masih diperdebatkan. Ketika masing-masing datang juga merupakan teka-teki. Seperti masalah “ayam atau telur”, DNA dan RNA mengarahkan pembentukan protein di dalam sel—tetapi kedua pembawa genetik tersebut juga memerlukan protein untuk bereplikasi.

Sebuah teori menyatakan anion sulfida, yang merupakan molekul yang melimpah di danau dan sungai di masa awal bumi, bisa menjadi penghubungnya. Dihasilkan dalam letusan gunung berapi, setelah larut ke dalam genangan air, mereka dapat mempercepat reaksi kimia yang mengubah molekul prebiotik menjadi RNA. Dijuluki hipotesis “dunia RNA”, gagasan tersebut menunjukkan bahwa RNA adalah biomolekul pertama yang menghiasi Bumi karena dapat membawa informasi genetik dan mempercepat beberapa reaksi kimia.

Ide lain adalah dampak meteor di bumi awal yang menghasilkan nukleotida, lipid, dan asam amino secara bersamaan, melalui proses yang melibatkan dua bahan kimia melimpah—satu dari meteor dan satu lagi dari Bumi—dan sedikit sinar UV.

Namun ada satu masalah: Setiap rangkaian bahan penyusun memerlukan reaksi kimia yang berbeda. Bergantung pada sedikit perbedaan dalam struktur atau kimia, mungkin saja satu lokasi geografis condong ke arah satu jenis molekul prebiotik dibandingkan yang lain.

Bagaimana? Studi baru, diterbitkan di Alam, menawarkan jawaban.

Jaringan Terowongan

Eksperimen laboratorium yang meniru Bumi awal biasanya dimulai dengan bahan-bahan tertentu yang telah dimurnikan. Para ilmuwan juga membersihkan produk samping antara, terutama untuk beberapa tahap reaksi kimia.

Proses tersebut sering kali menghasilkan “konsentrasi produk yang diinginkan semakin sedikit,” atau penciptaannya bahkan dapat terhambat sepenuhnya, tulis tim tersebut. Reaksi tersebut juga memerlukan beberapa ruang yang terpisah secara spasial, yang hampir tidak menyerupai lingkungan alami bumi.

Studi baru ini mengambil inspirasi dari geologi. Bumi purba memiliki jaringan kompleks retakan berisi air yang ditemukan di berbagai batuan di gunung berapi dan sistem panas bumi. Retakan yang dihasilkan oleh batuan yang terlalu panas membentuk “sedotan” alami yang berpotensi menyaring campuran molekul kompleks menggunakan gradien panas.

Setiap molekul menyukai suhu yang diinginkan berdasarkan ukuran dan muatan listriknya. Saat terkena suhu yang berbeda, secara alami ia bergerak menuju pilihan idealnya. Disebut termoforesis, proses memisahkan sup bahan menjadi beberapa lapisan berbeda dalam satu langkah.

Tim menirukan retakan batu tipis menggunakan ruang aliran panas. Seukuran kartu bank, ruangan itu memiliki retakan kecil berukuran 170 mikrometer, kira-kira selebar rambut manusia. Untuk menciptakan gradien suhu, satu sisi ruangan dipanaskan hingga 104 derajat Fahrenheit dan ujung lainnya didinginkan hingga 77 derajat Fahrenheit.

Dalam pengujian pertama, tim menambahkan campuran senyawa prebiotik yang mencakup asam amino dan nukleotida DNA ke dalam ruangan. Setelah 18 jam, komponen dipisahkan menjadi beberapa lapisan seperti tiramisu. Misalnya, glisin—asam amino terkecil—terkonsentrasi di bagian atas, sedangkan asam amino lain dengan kekuatan termoforesis lebih tinggi menempel di bagian bawah. Demikian pula, huruf DNA dan bahan kimia pendukung kehidupan lainnya juga terpisah di celah tersebut, dan beberapa di antaranya diperkaya hingga 45 persen.

Meski menjanjikan, sistem ini tidak menyerupai Bumi masa awal, yang memiliki retakan-retakan yang sangat saling berhubungan dengan ukuran yang berbeda-beda. Untuk meniru kondisi alam dengan lebih baik, tim selanjutnya menyusun tiga ruangan, dengan ruangan pertama bercabang menjadi dua ruangan lainnya. Ini kira-kira 23 kali lebih efisien dalam memperkaya bahan kimia prebiotik dibandingkan satu ruangan.

Dengan menggunakan simulasi komputer, tim kemudian memodelkan perilaku sistem ruang yang saling terhubung berukuran 20 kali 20, menggunakan laju aliran bahan kimia prebiotik yang realistis. Ruang-ruang tersebut semakin memperkaya minuman tersebut, dengan glisin yang memperkaya lebih dari 2,000 kali lebih banyak dibandingkan asam amino lainnya.

Reaksi kimia

Bahan-bahan yang lebih bersih adalah awal yang baik untuk pembentukan molekul kompleks. Namun banyak reaksi kimia memerlukan bahan kimia tambahan, yang juga perlu diperkaya. Di sini, tim memusatkan perhatian pada reaksi yang menyatukan dua molekul glisin.

Intinya adalah trimetafosfat (TMP), yang membantu memandu reaksi. TMP sangat menarik untuk kimia prebiotik, dan langka di masa awal Bumi, jelas tim tersebut, yang “menjadikan pengayaan selektifnya sangat penting.” Satu ruang meningkatkan kadar TMP bila dicampur dengan bahan kimia lain.

Dengan menggunakan simulasi komputer, campuran TMP dan glisin meningkatkan produk akhir—glisin dua kali lipat—sebesar lima kali lipat.

“Hasil ini menunjukkan bahwa reaksi prebiotik yang menantang justru meningkat secara besar-besaran” dengan aliran panas yang secara selektif memperkaya bahan kimia di berbagai wilayah, tulis tim tersebut.

Secara keseluruhan, mereka menguji lebih dari 50 molekul prebiotik dan menemukan bahwa retakan tersebut dengan mudah memisahkan mereka. Karena setiap retakan dapat memiliki campuran molekul yang berbeda, hal ini dapat menjelaskan munculnya berbagai bahan penyusun yang dapat menopang kehidupan.

Namun, bagaimana unsur-unsur penyusun kehidupan bersatu untuk membentuk organisme masih misterius. Aliran panas dan retakan batuan kemungkinan besar hanyalah salah satu bagian dari teka-teki tersebut. Ujian utamanya adalah melihat apakah, dan bagaimana, prebiotik yang dimurnikan ini terhubung untuk membentuk sel.

Kredit Gambar: Christof B. Tiang

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/