Izvor življenja: kako so razpoke v vročih kamnih morda spodbudile biokemijo

Kako so nastali gradniki življenja?

To vprašanje že dolgo muči znanstvenike. Zgodnja Zemlja je bila posejana z bazeni vode, bogate s kemikalijami - prvobitna juha. Kljub temu so se iz mešanic pojavile biomolekule, ki podpirajo življenje, in tako postavile temelje za pojav prvih celic.

Življenje se je začelo, ko sta se oblikovali dve komponenti. Eden je bil molekularni nosilec - kot je na primer DNK - za prenos in premešanje genetskih načrtov. Drugo komponento so sestavljale beljakovine, delovni konji in strukturni elementi telesa.

Obe biomolekuli sta zelo kompleksni. Pri ljudeh ima DNK štiri različne kemične "črke", imenovane nukleotidi, medtem ko so beljakovine sestavljene iz 20 vrst aminokislin. Komponente imajo različne strukture, njihova izdelava pa zahteva nekoliko drugačne kemije. Končni produkti morajo biti v dovolj velikih količinah, da jih povežemo v DNK ali beljakovine.

Znanstveniki lahko očistijo komponente v laboratoriju z uporabo dodatkov. Vendar se postavlja vprašanje: Kako se je to zgodilo na zgodnji Zemlji?

Odgovor, predlaga dr. Christof Mast, raziskovalec na Univerzi Ludwiga Maximiliansa v Münchnu, so lahko razpoke v kamninah, kot so tiste, ki se pojavljajo v vulkanih ali geotermalnih sistemih, ki so bili v izobilju na zgodnji Zemlji. Možno je, da temperaturne razlike vzdolž razpok naravno ločijo in koncentrirajo komponente biomolekul, kar zagotavlja pasivni sistem za čiščenje biomolekul.

Ekipa, ki jo je navdihnila geologija, je razvila komore s toplotnim tokom, ki so približno velike kot bančna kartica, vsaka pa vsebuje majhne prelome s temperaturnim gradientom. Ko dobimo mešanico aminokislin ali nukleotidov - "prebiotična mešanica" - se komponente zlahka ločijo.

Dodajanje več komor je dodatno koncentriralo kemikalije, tudi tiste, ki so bile podobne strukture. Mreža zlomov je omogočila tudi vezavo aminokislin, kar je prvi korak k ustvarjanju funkcionalnega proteina.

"Sistemi medsebojno povezanih tankih zlomov in razpok ... naj bi bili vseprisotni v vulkanskih in geotermalnih okoljih," Napisal ekipa. Z obogatitvijo prebiotičnih kemikalij bi lahko takšni sistemi »zagotovili stalno gonilno silo za naravni laboratorij za izvor življenja«.

Brewing Life

Pred približno štirimi milijardami let je bila Zemlja sovražno okolje, ki so ga udarjali meteoriti in polno vulkanskih izbruhov. Kljub temu je kemija nekako med kaosom ustvarila prve aminokisline, nukleotide, maščobne lipide in druge gradnike, ki podpirajo življenje.

Ki kemijskih procesov, ki so prispevali k tem molekulam, je predmet razprave. Kdaj vsak prišel je tudi uganka. Tako kot problem "kokoš ali jajce" tudi DNK in RNK usmerjata nastajanje beljakovin v celicah, vendar oba genetska nosilca prav tako potrebujeta beljakovine za podvajanje.

Ena teorija predlaga sulfidni anioni, ki so molekule, ki so bile obilne v jezerih in rekah zgodnje Zemlje, bi lahko bila povezava. Nastanejo v vulkanskih izbruhih, ko se raztopijo v bazenih vode, lahko pospešijo kemične reakcije, ki pretvarjajo prebiotične molekule v RNK. Ideja, imenovana hipoteza o "svetu RNK", nakazuje, da je bila RNK prva biomolekula, ki je krasila Zemljo, ker lahko prenaša genetske informacije in pospeši nekatere kemične reakcije.

Druga ideja je udarec meteorja na nukleotide, lipide in aminokisline, ki jih je ustvarila zgodnja Zemlja, hkrati s postopkom, ki vključuje dve izobilju kemikalij – eno iz meteorjev in drugo z Zemlje – ter kanček UV svetlobe.

Vendar obstaja ena težava: vsak sklop gradnikov zahteva drugačno kemično reakcijo. Odvisno od manjših razlik v strukturi ali kemiji je možno, da se je ena geografska lokacija nagnila k eni vrsti prebiotične molekule namesto k drugi.

kako Nova študija, objavljena v Narava, ponuja odgovor.

Tunelska omrežja

Laboratorijski poskusi, ki posnemajo zgodnjo Zemljo, se običajno začnejo z natančno definiranimi sestavinami, ki so že prečiščene. Znanstveniki čistijo tudi vmesne stranske produkte, zlasti za več korakov kemične reakcije.

Postopek pogosto povzroči "izginjajoče majhne koncentracije želenega izdelka" ali pa je njegovo ustvarjanje lahko celo popolnoma zavrto, je zapisala ekipa. Reakcije zahtevajo tudi več prostorsko ločenih komor, ki skorajda ne spominjajo na Zemljino naravno okolje.

Nova študija je navdihnila geologija. Zgodnja Zemlja je imela zapletene mreže z vodo napolnjenih razpok, ki so jih našli v različnih kamninah v vulkanih in geotermalnih sistemih. Razpoke, ki so nastale zaradi pregrevanja kamnin, so oblikovale naravne "slamice", ki bi potencialno lahko filtrirale kompleksno mešanico molekul z uporabo toplotnega gradienta.

Vsaka molekula ima prednost želeno temperaturo glede na svojo velikost in električni naboj. Ko je izpostavljen različnim temperaturam, se naravno premakne proti svoji idealni izbiri. Postopek, imenovan termoforeza, loči juho sestavin v več različnih plasti v enem koraku.

Ekipa je posnemala en sam tanek zlom skale z uporabo komore s toplotnim tokom. Približno velika kot bančna kartica, komora je imela drobne razpoke s premerom 170 mikrometrov, kar je približno širina človeškega lasu. Da bi ustvarili temperaturni gradient, je bila ena stran komore segreta na 104 stopinje Fahrenheita, drugi konec pa ohlajen na 77 stopinj Fahrenheita.

V prvem testu je ekipa v komoro dodala mešanico prebiotičnih spojin, ki so vključevale aminokisline in nukleotide DNK. Po 18 urah so se komponente razdelile v plasti kot tiramisu. Na primer, glicin – najmanjša aminokislina – se je koncentrirala proti vrhu, medtem ko so druge aminokisline z višjo termoforetično močjo obtičale na dnu. Podobno so se v razpokah ločile tudi črke DNK in druge kemikalije, ki vzdržujejo življenje, pri čemer so bile nekatere obogatene za do 45 odstotkov.

Čeprav obetaven, sistem ni spominjal na zgodnjo Zemljo, ki je imela zelo povezane razpoke različnih velikosti. Da bi bolje posnemali naravne pogoje, je ekipa nato nanizala tri komore, pri čemer se je prva razvejala v dve drugi. To je bilo približno 23-krat bolj učinkovito pri obogatitvi prebiotičnih kemikalij kot ena komora.

Z uporabo računalniške simulacije je skupina nato modelirala vedenje medsebojno povezanega komornega sistema 20 krat 20 z uporabo realne hitrosti pretoka prebiotičnih kemikalij. Komore so dodatno obogatile zvarek, pri čemer ga je glicin obogatil več kot 2,000-krat več kot druge aminokisline.

Kemijske reakcije

Čistejše sestavine so odličen začetek za tvorbo kompleksnih molekul. Toda veliko kemičnih reakcij zahteva dodatne kemikalije, ki jih je prav tako treba obogatiti. Tu se je ekipa usmerila v reakcijo, ki povezuje dve molekuli glicina.

V središču je trimetafosfat (TMP), ki pomaga usmerjati reakcijo. TMP je še posebej zanimiv za prebiotično kemijo in je bil redek na zgodnji Zemlji, je pojasnila ekipa, zaradi česar je "njegova selektivna obogatitev kritična." Ena sama komora je zvišala ravni TMP v mešanici z drugimi kemikalijami.

Z uporabo računalniške simulacije je mešanica TMP in glicina povečala končni produkt – podvojeni glicin – za pet stopenj velikosti.

"Ti rezultati kažejo, da so sicer zahtevne prebiotične reakcije močno okrepljene" s toplotnimi tokovi, ki selektivno obogatijo kemikalije v različnih regijah, je zapisala ekipa.

Skupaj so testirali več kot 50 prebiotičnih molekul in ugotovili, da jih zlomi zlahka ločijo. Ker ima lahko vsaka razpoka drugačno mešanico molekul, bi to lahko pojasnilo vzpon več gradnikov, ki vzdržujejo življenje.

Kljub temu ostaja skrivnost, kako so se gradniki življenja združili v organizme. Toplotni tokovi in ​​skalne razpoke so verjetno le en kos sestavljanke. Končni test bo ugotoviti, ali in kako se ti prečiščeni prebiotiki povežejo v celico.

Avtorstvo slike: Christof B. Mast

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/