Originile vieții: modul în care fisurile din rocile fierbinți ar putea fi declanșat biochimia

Cum au apărut elementele de bază ale vieții?

Întrebarea i-a supărat de mult pe oamenii de știință. Pământul timpuriu a fost presărat cu bazine de apă bogate în substanțe chimice - o supă primordială. Cu toate acestea, biomoleculele care susțin viața au apărut din amestecuri, creând scena pentru apariția primelor celule.

Viața a început când s-au format două componente. Unul a fost un purtător molecular, cum ar fi, de exemplu, ADN-ul, pentru a transmite și remix modelele genetice. Cealaltă componentă era alcătuită din proteine, caii de muncă și elementele structurale ale corpului.

Ambele biomolecule sunt foarte complexe. La oameni, ADN-ul are patru „litere” chimice diferite, numite nucleotide, în timp ce proteinele sunt formate din 20 de tipuri de aminoacizi. Componentele au structuri distincte, iar crearea lor necesită chimie ușor diferite. Produsele finale trebuie să fie în cantități suficient de mari pentru a le uni în ADN sau proteine.

Oamenii de știință pot purifica componentele în laborator folosind aditivi. Dar ridică întrebarea: Cum s-a întâmplat pe Pământul timpuriu?

Răspunsul, sugerează dr. Christof Mast, cercetător la Universitatea Ludwig Maximilians din München, ar putea fi crăpături în roci precum cele care apar în vulcani sau sisteme geotermale care erau abundente pe Pământul timpuriu. Este posibil ca diferențele de temperatură de-a lungul fisurilor să separe și să concentreze în mod natural componentele biomoleculei, oferind un sistem pasiv de purificare a biomoleculelor.

Inspirată de geologie, echipa a dezvoltat camere de flux de căldură de dimensiunea unui card bancar, fiecare conținând fracturi minuscule cu un gradient de temperatură. Când i s-a administrat un amestec de aminoacizi sau nucleotide – un „amestec prebiotic” – componentele s-au separat ușor.

Adăugarea mai multor camere a concentrat și mai mult substanțele chimice, chiar și cele care erau similare ca structură. Rețeaua de fracturi a permis, de asemenea, legarea aminoacizilor, primul pas către crearea unei proteine ​​funcționale.

„Se crede că sistemele de fracturi subțiri și fisuri interconectate sunt omniprezente în mediile vulcanice și geotermale.” scris echipa. Prin îmbogățirea substanțelor chimice prebiotice, astfel de sisteme ar fi putut „oferi o forță motrice constantă pentru un laborator de origine naturală a vieții”.

Prepararea vieții

În urmă cu aproximativ patru miliarde de ani, Pământul era un mediu ostil, lovit de meteoriți și plin de erupții vulcanice. Cu toate acestea, într-un fel, printre haos, chimia a generat primii aminoacizi, nucleotide, lipide grase și alte componente care susțin viața.

Care procesele chimice care au contribuit la aceste molecule sunt dezbătute. Cand fiecare a venit este, de asemenea, o enigmă. La fel ca o problemă de „găină sau ou”, ADN-ul și ARN-ul direcționează crearea de proteine ​​în celule, dar ambii purtători genetici necesită, de asemenea, proteine ​​pentru a se replica.

O teorie sugerează anioni sulfurici, care sunt molecule care erau abundente în lacurile și râurile Pământului timpurie, ar putea fi legătura. Generate în erupții vulcanice, odată dizolvate în bazine de apă, pot accelera reacțiile chimice care transformă moleculele prebiotice în ARN. Supranumită ipoteza „lumii ARN”, ideea sugerează că ARN-ul a fost prima biomoleculă care a împodobit Pământul, deoarece poate transporta informații genetice și poate accelera unele reacții chimice.

O altă idee Este impactul meteoriților asupra Pământului timpuriu a generat nucleotide, lipide și aminoacizi simultan, printr-un proces care include două substanțe chimice abundente - una de la meteori și alta de pe Pământ - și o strop de lumină UV.

Dar există o problemă: fiecare set de blocuri de construcție necesită o reacție chimică diferită. În funcție de diferențele ușoare de structură sau de chimie, este posibil ca o locație geografică să se fi înclinat spre un tip de moleculă prebiotică față de altul.

Cum? Noul studiu, publicat în Natură, oferă un răspuns.

Rețele de tuneluri

Experimentele de laborator care imită Pământul timpuriu încep de obicei cu ingrediente bine definite care au fost deja purificate. Oamenii de știință curăță, de asemenea, produsele secundare intermediare, în special pentru etapele multiple de reacție chimică.

Procesul duce adesea la „concentrații extrem de mici ale produsului dorit”, sau crearea acestuia poate fi chiar complet inhibată, a scris echipa. Reacțiile necesită, de asemenea, mai multe camere separate spațial, care aproape că nu seamănă cu mediul natural al Pământului.

Noul studiu s-a inspirat din geologie. Pământul timpuriu avea rețele complexe de fisuri umplute cu apă găsite într-o varietate de roci din vulcani și sisteme geotermale. Fisurile, generate de supraîncălzirea rocilor, au format „paie” naturale care ar putea filtra un amestec complex de molecule folosind un gradient de căldură.

Fiecare moleculă favorizează o temperatură preferată în funcție de dimensiunea și sarcina electrică. Când este expus la temperaturi diferite, se îndreaptă în mod natural către alegerea ideală. Denumit termoforeză, procesul separă o supă de ingrediente în mai multe straturi distincte într-o singură etapă.

Echipa a imitat o singură fractură de rocă subțire folosind o cameră de flux de căldură. Aproximativ de dimensiunea unui card bancar, camera avea mici crăpături de 170 de micrometri diametru, aproximativ lățimea unui păr uman. Pentru a crea un gradient de temperatură, o parte a camerei a fost încălzită la 104 de grade Fahrenheit, iar celălalt capăt a fost răcită la 77 de grade Fahrenheit.

Într-un prim test, echipa a adăugat în cameră un amestec de compuși prebiotici care includeau aminoacizi și nucleotide ADN. După 18 ore, componentele s-au separat în straturi precum tiramisu. De exemplu, glicina - cel mai mic dintre aminoacizi - s-a concentrat în partea de sus, în timp ce alți aminoacizi cu rezistență termoforetică mai mare s-au lipit în partea de jos. În mod similar, literele ADN și alte substanțe chimice care susțin viața s-au separat și ele în fisuri, unele fiind îmbogățite cu până la 45 la sută.

Deși promițător, sistemul nu semăna cu Pământul timpuriu, care avea crăpături puternic interconectate, care variau în dimensiune. Pentru a imita mai bine condițiile naturale, echipa a înșirat apoi trei camere, prima ramificată în alte două. Acesta a fost de aproximativ 23 de ori mai eficient la îmbogățirea substanțelor chimice prebiotice decât o singură cameră.

Folosind o simulare pe computer, echipa a modelat apoi comportamentul unui sistem de camere interconectate de 20 pe 20, folosind un debit realist de substanțe chimice prebiotice. Camerele au îmbogățit și mai mult prepararea, cu glicina îmbogățind de peste 2,000 de ori mai mult decât alți aminoacizi.

Reacții chimice

Ingredientele mai curate sunt un început excelent pentru formarea de molecule complexe. Dar multe reacții chimice necesită substanțe chimice suplimentare, care, de asemenea, trebuie să fie îmbogățite. Aici, echipa sa concentrat asupra unei reacții prin care două molecule de glicină s-au unit.

La inima se afla trimetafosfatul (TMP), care ajuta la ghidarea reactiei. TMP este deosebit de interesant pentru chimia prebiotică și era rar pe Pământul timpuriu, a explicat echipa, care „face îmbogățirea sa selectivă critică”. O singură cameră a crescut nivelurile de TMP atunci când este amestecată cu alte substanțe chimice.

Folosind o simulare pe computer, un amestec de TMP și glicină a crescut produsul final - o glicină dublată - cu cinci ordine de mărime.

„Aceste rezultate arată că reacțiile prebiotice, altfel provocatoare, sunt stimulate masiv” cu fluxuri de căldură care îmbogățesc selectiv substanțele chimice în diferite regiuni, a scris echipa.

În total, au testat peste 50 de molecule prebiotice și au descoperit că fracturile le separau cu ușurință. Deoarece fiecare fisura poate avea un amestec diferit de molecule, ar putea explica apariția mai multor blocuri de susținere a vieții.

Cu toate acestea, modul în care elementele de construcție ale vieții s-au unit pentru a forma organisme rămâne misterios. Fluxurile de căldură și fisurile de rocă sunt probabil doar o piesă a puzzle-ului. Testul final va fi să vedem dacă și cum aceste prebiotice purificate se leagă pentru a forma o celulă.

Credit imagine: Christof B. Mast

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/