מקורות החיים: כיצד סדקים בסלעים חמים עשויים להניע את הביוכימיה

כיצד נוצרו אבני הבניין של החיים?

השאלה מטרידה מדענים זה מכבר. כדור הארץ הקדום היה מנוקד בבריכות מים עשירות בכימיקלים - מרק קדמון. עם זאת, ביומולקולות תומכות חיים צצו מהתערובות, והיוו את הבמה להופעת התאים הראשונים.

החיים התחילו כאשר נוצרו שני מרכיבים. אחד מהם היה נשא מולקולרי - כמו, למשל, DNA - להעביר ולערבב מחדש שרטוטים גנטיים. המרכיב השני היה מורכב מחלבונים, סוסי העבודה ואלמנטים מבניים של הגוף.

שתי הביומולקולות מורכבות מאוד. בבני אדם, ל-DNA יש ארבע "אותיות" כימיות שונות, הנקראות נוקלאוטידים, ואילו חלבונים עשויים מ-20 סוגים של חומצות אמינו. לרכיבים יש מבנים ברורים, ויצירתם דורשת כימיה מעט שונה. המוצרים הסופיים צריכים להיות בכמויות גדולות מספיק כדי לחבר אותם יחד ל-DNA או חלבונים.

מדענים יכולים לטהר את הרכיבים במעבדה באמצעות תוספים. אבל זה מעלה את השאלה: איך זה קרה בכדור הארץ המוקדם?

התשובה, מציעה ד"ר כריסטוף מאסט, חוקר מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאנס במינכן, עשויה להיות סדקים בסלעים כמו אלה שהתרחשו בהרי געש או מערכות גיאותרמיות שהיו בשפע בכדור הארץ הקדום. יתכן שהפרשי טמפרטורה לאורך הסדקים מפרידים ומרכזים באופן טבעי את רכיבי הביו-מולקולות, ומספקים מערכת פסיבית לטיהור ביו-מולקולות.

בהשראת הגיאולוגיה, הצוות פיתח תאי זרימת חום בערך בגודל של כרטיס בנק, כל אחד מכיל שברים זעירים עם שיפוע טמפרטורה. כאשר ניתנת תערובת של חומצות אמינו או נוקלאוטידים - "תערובת פרה-ביוטית" - הרכיבים נפרדים בקלות.

הוספת תאים נוספים ריכזה עוד יותר את הכימיקלים, אפילו אלה שהיו דומים במבנה. רשת השברים אפשרה גם לחומצות אמינו להיקשר, הצעד הראשון לקראת יצירת חלבון פונקציונלי.

"מערכות של שברים וסדקים דקים מחוברים זה לזה... נחשבות בכל מקום בסביבות געשיות וגיאותרמיות", כתב הקבוצה. על ידי העשרת הכימיקלים הפרה-ביוטיים, מערכות כאלה יכלו "לספק כוח מניע יציב למעבדת מקורות חיים טבעיים".

מבשלת חיים

לפני כארבעה מיליארד שנים, כדור הארץ היה סביבה עוינת, נגועה במטאוריטים ושופעת בהתפרצויות געשיות. אבל איכשהו בין הכאוס, הכימיה יצרה את חומצות האמינו הראשונות, נוקלאוטידים, שומנים שומניים ואבני בניין אחרות שתומכות בחיים.

איזה תהליכים כימיים שתרמו למולקולות הללו עומדים לדיון. מתי כל אחד שהגיע הוא גם חידה. כמו בעיית "תרנגולת או ביצה", DNA ו-RNA מכוונים את יצירת החלבונים בתאים - אך שני הנשאים הגנטיים דורשים גם חלבונים כדי להתרבות.

תיאוריה אחת מציעה אניונים גופרתיים, שהן מולקולות שהיו בשפע באגמים ובנהרות המוקדמים של כדור הארץ, יכולות להיות החוליה. נוצרים בהתפרצויות געשיות, לאחר שהם מומסים בבריכות מים הם יכולים להאיץ תגובות כימיות הממירות מולקולות פרה-ביוטיות ל-RNA. שכונה השערת "עולם ה-RNA", הרעיון מציע כי ה-RNA הייתה הביו-מולקולה הראשונה שחיננה את כדור הארץ מכיוון שהיא יכולה לשאת מידע גנטי ולהאיץ כמה תגובות כימיות.

רעיון אחר הוא פגיעות מטאור על כדור הארץ הקדום שנוצרו נוקלאוטידים, שומנים וחומצות אמינו בו זמנית, באמצעות תהליך הכולל שני כימיקלים בשפע - אחד ממטאורים ואחר מכדור הארץ - וקצת של אור UV.

אבל יש בעיה אחת: כל קבוצה של אבני בניין דורשת תגובה כימית אחרת. בהתאם להבדלים קלים במבנה או בכימיה, ייתכן שמיקום גיאוגרפי אחד היה מוטה לסוג אחד של מולקולה פרה-ביוטית על פני אחר.

אֵיך? המחקר החדש, שפורסם ב טבע, מציע תשובה.

רשתות מנהרות

ניסויי מעבדה המחקים את כדור הארץ הקדום מתחילים בדרך כלל עם מרכיבים מוגדרים היטב שכבר טוהרו. מדענים מנקים גם תוצרי לוואי, במיוחד עבור שלבי תגובה כימית מרובים.

התהליך מביא לעתים קרובות ל"ריכוזים קטנים ונעלמים של המוצר הרצוי", או שניתן אפילו לעכב את יצירתו לחלוטין, כתב הצוות. התגובות דורשות גם מספר חדרים מופרדים במרחב, שכמעט ולא דומה לסביבה הטבעית של כדור הארץ.

המחקר החדש קיבל השראה מגיאולוגיה. לכדור הארץ הקדום היו רשתות מורכבות של סדקים מלאי מים שנמצאו במגוון סלעים בהרי געש ובמערכות גיאותרמיות. הסדקים, שנוצרו על ידי סלעים שהתחממו יתר על המידה, יצרו "קשיות" טבעיות שעלולות לסנן תערובת מורכבת של מולקולות באמצעות שיפוע חום.

כל מולקולה מעדיפה טמפרטורה מועדפת על סמך גודלה והמטען החשמלי שלה. כאשר הוא נחשף לטמפרטורות שונות, הוא נע באופן טבעי לעבר הבחירה האידיאלית שלו. המכונה תרמופורזה, התהליך מפריד מרק של מרכיבים למספר רב של שכבות נפרדות בשלב אחד.

הצוות חיקה שבר בודד של סלע דק באמצעות תא זרימת חום. בערך בגודל של כרטיס בנק, בחדר היו סדקים זעירים בקוטר של 170 מיקרומטר, בערך ברוחב של שערה אנושית. כדי ליצור שיפוע טמפרטורה, צד אחד של החדר חומם ל-104 מעלות פרנהייט והקצה השני צונן ל-77 מעלות פרנהייט.

בבדיקה ראשונה, הצוות הוסיף תערובת של תרכובות פרה-ביוטיות שכללו חומצות אמינו ונוקלאוטידים של DNA לתוך החדר. לאחר 18 שעות, הרכיבים נפרדו לשכבות כמו טירמיסו. לדוגמה, גליצין - הקטנה ביותר מבין חומצות האמינו - התרכזה כלפי מעלה, בעוד חומצות אמינו אחרות בעלות חוזק תרמופורטי גבוה יותר נדבקו לתחתית. באופן דומה, אותיות DNA וכימיקלים אחרים מקיימים חיים נפרדו גם הם בסדקים, כאשר חלקם הועשרו בעד 45 אחוזים.

למרות שהיא מבטיחה, המערכת לא דמתה לכדור הארץ הקדום, שבו היו סדקים מחוברים מאוד בגודלם. כדי לחקות טוב יותר תנאים טבעיים, הצוות חיבר שלושה חדרים, כשהראשון הסתעף לשני חדרים אחרים. זה היה בערך פי 23 יותר יעיל בהעשרת כימיקלים פרה-ביוטיים מאשר תא בודד.

לאחר מכן, באמצעות הדמיית מחשב, הצוות עיצב את ההתנהגות של מערכת תאים מקושרת בגודל 20 על 20, תוך שימוש בקצב זרימה מציאותי של כימיקלים פרה-ביוטיים. החדרים העשירו עוד יותר את החליטה, עם גליצין המעשיר פי 2,000 יותר מחומצות אמינו אחרות.

תגובה כימית

מרכיבים נקיים יותר הם התחלה מצוינת ליצירת מולקולות מורכבות. אבל הרבה תגובות כימיות דורשות כימיקלים נוספים, שגם אותם צריך להעשיר. כאן, הצוות התאפס על תגובה שתפרה שתי מולקולות גליצין זו לזו.

בלב נמצא trimetaphosphate (TMP), שעוזר להנחות את התגובה. TMP מעניין במיוחד עבור כימיה פרה-ביוטית, והוא היה נדיר בכדור הארץ המוקדם, הסביר הצוות, ש"הופך את ההעשרה הסלקטיבית שלו לקריטית". תא בודד העלה את רמות ה-TMP כאשר הוא מעורבב עם כימיקלים אחרים.

באמצעות הדמיית מחשב, תערובת TMP וגליצין העלתה את התוצר הסופי - גליצין מוכפל - בחמישה סדרי גודל.

"התוצאות הללו מראות שתגובות פרה-ביוטיות מאתגרות אחרות זוכות לחיזוק מסיבי" עם זרימות חום המעשירות כימיקלים באופן סלקטיבי באזורים שונים, כתב הצוות.

בסך הכל, הם בדקו למעלה מ-50 מולקולות פרה-ביוטיות ומצאו שהשברים מפרידים ביניהם בקלות. מכיוון שלכל סדק יכול להיות תערובת שונה של מולקולות, זה יכול להסביר את עלייתם של מספר אבני בניין מקיימות חיים.

ובכל זאת, איך אבני הבניין של החיים התאחדו כדי ליצור אורגניזמים נשאר מסתורי. זרימות חום וסדקי סלע הם כנראה רק חלק אחד מהפאזל. המבחן האולטימטיבי יהיה לראות אם וכיצד, הפרה-ביוטיקה המטוהרת הללו מתחברת ליצירת תא.

קרדיט תמונה: Christof B. Mast

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/