Pierwszy dowód na to, że aminokwasy powstały wkrótce po Wielkim Wybuchu

W 1952 roku chemicy Stanley Miller i Harold Urey odtworzyli słynne warunki, które istniały na Ziemi jakieś cztery miliardy lat temu. Zmieszali wodę, amoniak, metan i wodór w zamkniętej kolbie, podgrzewając ją i zapalając iskrami, aby zasymulować piorun. Eksperyment słynie z tego, że w ciągu kilku dni kolba zaczęła wypełniać się złożonymi cząsteczkami organicznymi, takimi jak aminokwasy, które są budulcem życia.

Konsekwencje były jasne. Jeśli cegiełki życia są proste do wyprodukowania, to być może samo życie nie będzie tak trudne do stworzenia. Podniosło to niepewną możliwość, że życie może powstać we wszechświecie, gdzie tylko pozwalają na to warunki.

Od tego czasu astronomowie znaleźli dowody na istnienie tych samych cząsteczek na innych planetach, na asteroidach, a nawet w przestrzeni międzygwiazdowej.

A to rodzi kilka interesujących pytań. Jak po raz pierwszy we wszechświecie powstały cząsteczki i kiedy pojawiły się bardziej złożone? A co to sugeruje o pochodzeniu życia?

Dzisiaj otrzymujemy odpowiedź z pracy Stuarta Kauffmana z Instytutu Biologii Systemów w Seattle i kolegów z Uniwersytetu Eotvos w Budapeszcie. Ci faceci symulowali sposób, w jaki molekuły musiały powstawać we wczesnym wszechświecie i pokazali, w jaki sposób odtwarza to mieszankę chemiczną, którą astronomowie obecnie obserwują w kosmosie. Praca ma ważne implikacje dla naszego zrozumienia pochodzenia życia i sposobu, w jaki możemy je odtworzyć w laboratorium za pomocą biologii syntetycznej.

Najpierw trochę tła. Wydaje się, że życie na Ziemi zaczęło się jakieś cztery miliardy lat temu w warunkach zupełnie odmiennych od tych, które istnieją dzisiaj. Miller i Urey odtworzyli je w swoim słynnym eksperymencie.

Ale skąd na Ziemi powstała ta mieszanka? Astronomowie widzą w przestrzeni dowody na istnienie prostych cząsteczek, takich jak woda i amoniak, ale także bardziej złożonych, takich jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne i aminokwasy. Jak więc powstała ta mieszanka?

Szeroką odpowiedzią jest to, że Wielki Wybuch wytworzył ogromne ilości wodoru i helu, które połączyły się wewnątrz pierwszych gwiazd, tworząc cięższe pierwiastki, takie jak węgiel, tlen i azot. A dalsze formowanie się gwiazd stworzyło cięższy zestaw pierwiastków, który widzimy dzisiaj na Ziemi.

Jednak sposób, w jaki te pierwiastki łączą się w molekuły, nie jest jasno poznany. Jednym z powodów jest to, że liczba możliwych cząsteczek jest ogromna. Liczba różnych cząsteczek wzrasta superwykładniczo wraz z rozmiarem zbioru [atomów], powiedzmy Kauffman i spółka.

Upraszczają więc problem, patrząc tylko na masę możliwych cząsteczek. Jest to mniejsza grupa, a więc łatwiejsza do rozważenia, ponieważ wiele różnych cząsteczek może mieć tę samą masę.

Rozmieszczenie cząsteczek na Ziemi jest dobrym punktem wyjścia, ponieważ reprezentuje najbardziej zróżnicowane chemicznie środowisko znane nauce.

Tak więc Kauffman i współpracownicy przyjrzeli się rozkładowi mas cząsteczkowych na Ziemi, zaczerpniętym z Baza danych PubChem ponad 90 milionów cząsteczek, z których zdecydowana większość jest naturalna. Rozkład ten osiąga szczyt przy około 290 daltonach (odpowiednik masy około 24 atomom węgla).

Jednak wiele różnych cząsteczek ma tę samą masę. Rozkład ma również długi ogon cząsteczek o dużej masie mierzonych w tysiącach daltonów.

Następnie naukowcy porównali to rozmieszczenie z meteorytem Murchison, dużą, dobrze zbadaną skałą kosmiczną, która spadła na miasto Murchison w Australii w 1969 roku.

Różne analizy pokazują, że ta skała zawiera co najmniej 58 000 różnych cząsteczek. Ale z powodów eksperymentalnych nie można zmierzyć mas poniżej 200 daltonów i powyżej 2000 daltonów, więc Kauffman i spółka muszą skorygować to pominięcie.

Rozkład masy w tych cząsteczkach przebiega według wzoru podobnego do tego obserwowanego w bazie danych PubChem. Dystrybucja Murchison osiąga szczyt około 240 daltonów i ma wydłużony ogon. Jest to przydatne, ponieważ meteoryt Murchison datuje się na powstanie Układu Słonecznego jakieś pięć miliardów lat temu, co czyni go migawką ewolucji chemicznej z wcześniejszych czasów.

Kluczową ideą tego artykułu jest to, że porównując te dwa rozkłady, można ustalić, kiedy najpierw musiały powstać złożone cząsteczki.

Ważną częścią układanki jest to, jak powstał ten schemat dystrybucji. Aby się tego dowiedzieć, Kauffman i współpracownicy badają przestrzeń wszystkich możliwych substancji chemicznych i pokazują, że cząsteczki mogą rosnąć na dwa różne sposoby.

W pierwszym, większe cząsteczki powstają w wyniku reakcji mniejszych cząsteczek w losowej akumulacji. Naukowcy twierdzą, że w tym procesie po pewnym czasie powstają prawie wszystkie możliwe małe cząsteczki i kompozycje.

Jednak losowa akumulacja nie może wyjaśniać rozmieszczenia bardzo dużych cząsteczek. Kauffman i wsp. twierdzą, że muszą one powstać w innym procesie, zwanym przywiązaniem preferencyjnym. Na przykład łańcuchy peptydowe lub wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne nie są budowane przez losową akumulację atomów, ale głównie przez akumulację większych bloków, takich jak aminokwasy i pierścienie aromatyczne.

Kluczem jest to, że każdy proces prowadzi do innej dystrybucji. Przypadkowa akumulacja powoduje szczyt przy 240 daltonach z małych cząsteczek, które tworzą się stosunkowo szybko. Preferencyjne przyłączenie tworzy długi ogon większych cząsteczek, które tworzą się znacznie później.

Porównując względne rozmiary tych dwóch rozkładów na meteorycie Murchison i na Ziemi, powinno być możliwe dokonanie ekstrapolacji wstecz, aby ustalić, kiedy rozpoczął się proces preferencyjnego przywiązania — innymi słowy, kiedy we wszechświecie pojawiły się aminokwasy.

Dokładnie to robią Kauffman i spółka. Odpowiedź jest taka, że ​​aminokwasy pojawiły się po raz pierwszy około 168 milionów lat po Wielkim Wybuchu, zaledwie mgnienie oka w kategoriach kosmologicznych.

Wszystko to stawia eksperyment Millera-Ureya w zupełnie innej perspektywie. Zamiast symulować warunki, w jakich powstało życie na Ziemi, ten eksperyment faktycznie odtwarza warunki, w których aminokwasy powstały po raz pierwszy we wczesnym wszechświecie. Rzeczywiście, wydaje się, że wydarzyło się to znacznie wcześniej, niż ktokolwiek przypuszczał.

Ma to istotne implikacje dla naszego myślenia o początkach życia. Wyniki sugerują, że główne składniki życia, takie jak aminokwasy, nukleotydy i inne kluczowe cząsteczki, powstały bardzo wcześnie, około 8-9 miliardów lat przed życiem, mówią Kauffman i spółka.

Ponieważ dokładne warunki, w jakich ewoluowało życie na Ziemi, zajęły kolejne osiem do dziewięciu miliardów lat, aby wyłonić się, aminokwasy w ogóle nie mogą być oznaką potencjału życiowego, jak sądzono po eksperymencie Urey-Miller. Ich istnienie w próbkach w żadnym wypadku nie jest bezpośrednim prekursorem życia, mówią Kauffman i spółka.

Wyjaśnia to również, dlaczego próby przedłużenia eksperymentów takich jak Urey i Miller o miesiące i lata nigdy nie przyniosły niczego interesującego. Nawet symulacje komputerowe pochodzenia życia nigdy nie dostarczyły jasnych dowodów na to, jak można przejść od aminokwasów do autokatalitycznych sieci chemicznych, a następnie do samoreprodukujących się cząsteczek życia.

To stawia pewne przeszkody w przekonaniu, że wszechświat może tętnić życiem. Zamiast tego biolodzy badający pochodzenie życia będą musieli znacznie dokładniej przyjrzeć się szczególnym warunkom, w których zachodzi biologiczna – lub, jak ujął to Kauffman i współautorzy, post-chemiczna – ewolucja. Sekrety życia są zakodowane w interakcjach i postchemicznej ewolucji tych rodzin cząsteczek, jak mówią.

Oczywiście jest wiele do zrobienia.

Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : Zegar ewolucji chemicznej

ukryć