Początki życia: jak pęknięcia w gorących skałach mogły pobudzić biochemię

Początki życia: jak pęknięcia w gorących skałach mogły pobudzić biochemię

Znacznik czasu: 5 kwietnia 2024 3:17
Początki życia: jak pęknięcia w gorących skałach mogły zapoczątkować biochemię PlatoBlockchain Data Intelligence. Wyszukiwanie pionowe. AI.

Jak powstały elementy składowe życia?

To pytanie od dawna niepokoi naukowców. Wczesna Ziemia była usiana kałużami wody bogatej w chemikalia – pierwotną zupę. Jednak z mieszanin wyłoniły się biomolekuły podtrzymujące życie, przygotowując grunt pod pojawienie się pierwszych komórek.

Życie rozpoczęło się, gdy utworzyły się dwa elementy. Jednym z nich był nośnik molekularny – taki jak na przykład DNA – służący do przekazywania i remiksowania planów genetycznych. Drugi składnik składał się z białek, koni roboczych i elementów strukturalnych organizmu.

Obie biomolekuły są bardzo złożone. U ludzi DNA składa się z czterech różnych „liter” chemicznych zwanych nukleotydami, podczas gdy białka składają się z 20 rodzajów aminokwasów. Składniki mają odrębną strukturę, a ich powstanie wymaga nieco innego składu chemicznego. Produkty końcowe muszą być w wystarczająco dużych ilościach, aby połączyć je w DNA lub białka.

Naukowcy mogą oczyszczać komponenty w laboratorium za pomocą dodatków. Ale nasuwa się pytanie: jak to się stało na wczesnej Ziemi?

Odpowiedź sugeruje dr Christof Mast, badacz z Uniwersytetu Ludwiga Maximiliana w Monachium, że mogą to być pęknięcia w skałach podobne do tych występujących w wulkanach lub systemach geotermalnych, których było mnóstwo na wczesnej Ziemi. Możliwe, że różnice temperatur wzdłuż pęknięć w naturalny sposób oddzielają i koncentrują składniki biomolekuł, tworząc pasywny system oczyszczania biomolekuł.

Zainspirowany geologią, zespół opracował komory przepływu ciepła mniej więcej wielkości karty bankowej, z których każda zawierała maleńkie pęknięcia z gradientem temperatury. Po podaniu mieszaniny aminokwasów lub nukleotydów – „mieszanki prebiotycznej” – składniki łatwo się rozdzielają.

Dodanie większej liczby komór jeszcze bardziej zagęściło chemikalia, nawet te o podobnej strukturze. Sieć pęknięć umożliwiła także wiązanie aminokwasów, co stanowiło pierwszy krok w kierunku stworzenia funkcjonalnego białka.

„Uważa się, że systemy wzajemnie połączonych cienkich pęknięć i pęknięć są wszechobecne w środowiskach wulkanicznych i geotermalnych” napisał drużyna. Wzbogacając prebiotyczne chemikalia, systemy takie mogłyby „zapewnić stałą siłę napędową laboratorium naturalnego pochodzenia życia”.

Piwowarskie życie

Około cztery miliardy lat temu Ziemia była nieprzyjaznym środowiskiem, nawiedzanym przez meteoryty i obfitującym w erupcje wulkanów. Jednak w jakiś sposób wśród chaosu chemia wygenerowała pierwsze aminokwasy, nukleotydy, lipidy tłuszczowe i inne elementy budujące życie.

Który procesy chemiczne, które przyczyniły się do powstania tych cząsteczek, są przedmiotem dyskusji. Kiedy każdy z nich się pojawił, jest także zagadką. Podobnie jak w przypadku problemu „kura czy jajko”, DNA i RNA kierują tworzeniem białek w komórkach, ale obaj nosiciele genetyczni również wymagają replikacji białek.

Jedna teoria sugeruje aniony siarczkowe, które są cząsteczkami występującymi obficie w jeziorach i rzekach wczesnej Ziemi, mogą być tym ogniwem. Wytwarzane podczas erupcji wulkanów, po rozpuszczeniu w kałużach wody, mogą przyspieszyć reakcje chemiczne, które przekształcają cząsteczki prebiotyczne w RNA. Pomysł, nazwany hipotezą „świata RNA”, sugeruje, że RNA był pierwszą biocząsteczką, która pojawiła się na Ziemi, ponieważ może przenosić informację genetyczną i przyspieszać niektóre reakcje chemiczne.

Inny pomysł to jednoczesne oddziaływanie meteorów na wytworzone na Ziemi nukleotydy, lipidy i aminokwasy w procesie obejmującym dwie powszechnie występujące substancje chemiczne – jedną pochodzącą z meteorów, a drugą pochodzącą z Ziemi – oraz odrobinę światła UV.

Ale jest jeden problem: każdy zestaw elementów składowych wymaga innej reakcji chemicznej. W zależności od niewielkich różnic w strukturze lub chemii, możliwe jest, że w jednym miejscu geograficznym preferowano jeden typ cząsteczki prebiotycznej, a nie inny.

Jak? Nowe badanie, opublikowane w Natura, daje odpowiedź.

Sieci tuneli

Eksperymenty laboratoryjne naśladujące wczesną Ziemię zwykle rozpoczynają się od dobrze zdefiniowanych składników, które zostały już oczyszczone. Naukowcy oczyszczają także pośrednie produkty uboczne, szczególnie w przypadku wielu etapów reakcji chemicznych.

W wyniku tego procesu często powstają „znikająco małe stężenia pożądanego produktu” lub można nawet całkowicie zahamować jego powstanie – napisał zespół. Reakcje wymagają również wielu oddzielonych przestrzennie komór, co prawie nie przypomina naturalnego środowiska Ziemi.

Nowe badanie czerpało inspirację z geologii. Wczesna Ziemia posiadała złożone sieci wypełnionych wodą pęknięć występujących w różnych skałach wulkanów i systemów geotermalnych. Pęknięcia powstałe w wyniku przegrzania skał utworzyły naturalne „słomki”, które mogłyby potencjalnie filtrować złożoną mieszaninę cząsteczek przy użyciu gradientu ciepła.

Każda cząsteczka preferuje preferowaną temperaturę w oparciu o jej rozmiar i ładunek elektryczny. Pod wpływem różnych temperatur w naturalny sposób dąży do idealnego wyboru. Proces ten, nazywany termoforezą, rozdziela zupę składników na wiele odrębnych warstw w jednym etapie.

Zespół symulował pojedyncze cienkie pęknięcie skały, korzystając z komory przepływu ciepła. Komora wielkości mniej więcej karty bankowej miała maleńkie pęknięcia o średnicy 170 mikrometrów, czyli mniej więcej szerokości ludzkiego włosa. Aby wytworzyć gradient temperatury, jedną stronę komory ogrzano do 104 stopni Fahrenheita, a drugi koniec schłodzono do 77 stopni Fahrenheita.

W pierwszym teście zespół dodał do komory mieszankę związków prebiotycznych obejmujących aminokwasy i nukleotydy DNA. Po 18 godzinach składniki rozdzieliły się na warstwy niczym tiramisu. Na przykład glicyna – najmniejszy z aminokwasów – skoncentrowała się w górę, podczas gdy inne aminokwasy o większej sile termoforetycznej przykleiły się do dołu. Podobnie litery DNA i inne substancje chemiczne podtrzymujące życie również rozdzieliły się w pęknięciach, a niektóre uległy wzbogaceniu nawet o 45 procent.

Choć obiecujący, system nie przypominał wczesnej Ziemi, która miała silnie połączone ze sobą pęknięcia o różnej wielkości. Aby lepiej naśladować warunki naturalne, zespół następnie ułożył trzy komory, z których pierwsza rozgałęziała się na dwie kolejne. Było to około 23 razy skuteczniejsze we wzbogacaniu prebiotycznych substancji chemicznych niż pojedyncza komora.

Korzystając z symulacji komputerowej, zespół następnie modelował zachowanie systemu połączonych komór o wymiarach 20 na 20, wykorzystując realistyczne natężenie przepływu prebiotycznych substancji chemicznych. Komory dodatkowo wzbogaciły napar, glicyną wzbogacając ją ponad 2,000 razy bardziej niż inne aminokwasy.

Reakcje chemiczne

Czystsze składniki są doskonałym początkiem tworzenia złożonych cząsteczek. Jednak wiele reakcji chemicznych wymaga dodatkowych środków chemicznych, które również należy wzbogacić. W tym przypadku zespół skupił się na reakcji połączenia dwóch cząsteczek glicyny.

W sercu znajduje się trimetafosforan (TMP), który pomaga kierować reakcją. TMP jest szczególnie interesujący w chemii prebiotycznej, a na wczesnej Ziemi występował rzadko, wyjaśnił zespół, co „sprawia, że ​​jego selektywne wzbogacanie ma kluczowe znaczenie”. Pojedyncza komora zwiększała poziom TMP po zmieszaniu z innymi substancjami chemicznymi.

Korzystając z symulacji komputerowej, mieszanka TMP i glicyny zwiększyła produkt końcowy – podwójną glicynę – o pięć rzędów wielkości.

„Wyniki te pokazują, że w przeciwnym razie trudne reakcje prebiotyczne są znacznie wzmacniane” dzięki przepływom ciepła, które selektywnie wzbogacają substancje chemiczne w różnych regionach – napisał zespół.

W sumie przetestowali ponad 50 cząsteczek prebiotycznych i odkryli, że pęknięcia łatwo je oddzielają. Ponieważ każde pęknięcie może mieć inną mieszankę cząsteczek, może to wyjaśniać powstawanie wielu elementów podtrzymujących życie.

Jednak to, w jaki sposób elementy składowe życia połączyły się, tworząc organizmy, pozostaje tajemnicą. Przepływy ciepła i szczeliny skalne to prawdopodobnie tylko jeden element układanki. Ostatecznym testem będzie sprawdzenie, czy i w jaki sposób te oczyszczone prebiotyki łączą się, tworząc komórkę.

Źródło zdjęcia: Christof B. Mast

Znak czasu:

Więcej z Centrum osobliwości