Cambridge-wetenschappers onthullen een nieuwe theorie over de oorsprong van de bouwstenen van het leven

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een proces geïdentificeerd dat grafitisering wordt genoemd en waarvan zij theoretiseren dat het moleculen zou kunnen produceren die essentieel zijn voor het opbouwen van leven, zoals eiwitten, fosfolipiden en nucleotiden op de vroege aarde. Dit proces, benadrukt in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Life, suggereert dat hoge temperaturen als gevolg van hemelse invloeden en interacties met ijzer en water chemische omgevingen zouden kunnen stroomlijnen, waardoor ze gunstig zouden worden voor de vorming van componenten die nodig zijn voor het leven.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge suggereren dat moleculen die essentieel zijn voor de evolutie van het leven mogelijk zijn ontstaan ​​uit een proces dat grafitisering wordt genoemd. Als dit wordt bevestigd door laboratoriumexperimenten, kan dit ons in staat stellen de omstandigheden te simuleren die waarschijnlijk tot leven hebben geleid.

Hoe zijn de chemicaliën die nodig zijn voor het leven daar terechtgekomen?

Hoe de ogenschijnlijk toevallige levensomstandigheden in de natuur ontstonden, is al lang onderwerp van discussie, waarbij veel hypothesen op een dood spoor zijn beland. Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben nu echter gemodelleerd hoe deze omstandigheden optreden, waarbij ze de componenten die nodig zijn voor het leven in grote hoeveelheden produceren.

Het leven wordt beheerst door moleculen die eiwitten, fosfolipiden en nucleotiden worden genoemd. Eerder onderzoek suggereert dat nuttige stikstofhoudende moleculen zoals nitril – Cyanoacetyleen(HC3N) en Waterstofcyanide(HCN) – en isonitril – Isocyanide(HNC) en Methylisocyanide(CH3NC) – Kan worden gebruikt om deze essentiële elementen van het leven te maken. Tot nu toe is er geen voor de hand liggende manier om al deze dingen in dezelfde omgeving in grote hoeveelheden te maken.

Uit een recente studie gepubliceerd in levenDe groep heeft nu ontdekt dat, via een proces dat bekend staat als grafiet, theoretisch grote hoeveelheden van deze nuttige moleculen kunnen worden gesynthetiseerd. Als het model experimenteel kan worden geverifieerd, zou dit erop wijzen dat het proces een mogelijke vroege stap op aarde was op haar reis naar leven.

Waarom is de kans groter dat dit proces plaatsvindt dan andere?

Het grootste probleem met eerdere modellen is dat er naast nitril nog een groot aantal andere producten worden gemaakt. Hierdoor ontstaat een chaotisch systeem dat de vorming van leven belemmert.

“Een groot deel van het leven is eenvoud”, zegt dr. Paul Rimmer, assistent-professor experimentele astrofysica aan het Cavendish Laboratory en co-auteur van het onderzoek. “Het is het systeem.” We hebben een manier gevonden om een ​​deel van de complexiteit te elimineren door te controleren wat er in de chemie kan gebeuren.

We verwachten niet dat leven wordt geproduceerd in een chaotische omgeving. Het verbazingwekkende is dus hoe grafiet zelf het milieu reinigt, omdat het proces uitsluitend deze nitrillen en isonitrilen produceert, met voornamelijk inerte bijproducten.

Een schematische weergave van het scenario dat we hier voorstellen voor de productie van schone, hoogrenderende prebiotische grondstoffen. Gebeurtenissen bewegen met de klok mee vanaf linksboven: ten eerste heeft de aarde een neutrale atmosfeer. Dit wordt verminderd na een gigantische inslag van 4,3 G door de metalen kern van de botsing te oxideren, waardoor een enorme hoeveelheid waterstof ontstaat.₂ Atmosfeer met grote hoeveelheden methaan en ammoniak. Deze atmosfeer koelt snel af (in minder dan een jaar) en de fotochemie produceert een tholinrijke mist die complexe, stikstofrijke organische materialen afzet. Deze organische materialen raken geleidelijk begraven en aangetrokken door interactie met magma. De lucht wordt helder als H₂ Het verdwaalt in de ruimte en wordt weer neutraal. Ten slotte reageren de gesmolten gassen met het grafiet en worden ze gewreven om grote hoeveelheden schoon HCN en HC te produceren.₃N, isonitril. Krediet: Oliver Shortle

“Eerst dachten we dat dit alles zou verpesten, maar het maakt alles zoveel beter.

Dit betekent dat grafiet de eenvoud zou kunnen bieden waar wetenschappers naar op zoek zijn, en de schone omgeving die nodig is voor het leven.

Hoe werkt dit proces?

Het Hadeïsche tijdperk was de vroegste periode in de geschiedenis van de aarde, toen de aarde heel anders was dan onze moderne aarde. Het is niet verrassend dat er botsingen plaatsvonden met puin, soms zo groot als planeten. De studie stelt dat toen de vroege aarde ongeveer 4,3 miljard jaar geleden in botsing kwam met een object van ongeveer de grootte van de maan, het ijzer daarin in wisselwerking stond met water op aarde.

Co-auteur dr. Oliver Shortle, hoogleraar natuurfilosofie aan het Instituut voor Astronomie en Departement Aardwetenschappen in Cambridge, zei: 'Iets ter grootte van de maan trof de aarde vroeg en zou een grote hoeveelheid ijzer en andere metalen hebben afgezet. '

De reactieproducten van ijzer en water condenseren en vormen teer op het aardoppervlak. De teer reageert vervolgens met het magma bij een temperatuur van ruim 1500°C en de koolstof in de teer verandert in grafiet – een zeer stabiele vorm van koolstof – wat we gebruiken in moderne potloden!

Zodra het ijzer met water reageert, ontstaat er mist die condenseert en zich vermengt met de aardkorst. “Bij verhitting blijven de nuttige stikstofhoudende verbindingen achter”, zei Shortell.

Welk bewijs is er om dit idee te ondersteunen?

Bewijs dat deze theorie ondersteunt, komt gedeeltelijk voort uit de aanwezigheid van komatiietgesteenten. Komatiet is een soort stollingsgesteente dat ontstaat wanneer zeer heet magma afkoelt (>1500°C).

Komatiet werd oorspronkelijk gevonden in Zuid-Afrika. “De rotsen dateren van ongeveer 3,5 miljard jaar geleden,” zei Shortell. “Belangrijker nog: we weten dat deze rotsen alleen ontstaan ​​bij extreme temperaturen, rond de 1700 graden Celsius!” Dit betekent dat het magma al heet genoeg was om de teer te verwarmen en het bruikbare nitril te vormen.

Nu het verband bevestigd is, suggereren de auteurs dat stikstofhoudende verbindingen via deze methode zullen worden gesynthetiseerd. Omdat we komatiet zien, weten we dat de temperatuur van magma op de vroege aarde soms meer dan 1500 graden Celsius bedroeg.

Wat dan?

Nu moeten experimenten proberen deze omstandigheden in het laboratorium na te bootsen en te onderzoeken of water, onvermijdelijk aanwezig in het systeem, de stikstofverbindingen opeet en afbreekt.

“Hoewel we niet zeker weten dat deze moleculen het leven op aarde hebben veroorzaakt, weten we wel dat de bouwstenen van het leven gemaakt moeten zijn van moleculen die in water overleefden”, zei Reimer. “Als uit toekomstige experimenten blijkt dat nitril afbreekt, zullen we op zoek moeten naar een andere methode.”

Referentie: “Surface hydrothermische bron van nitril en isonitril” door Paul P. Rimmer en Oliver Shortle, 10 april 2024, leven.
doi: 10.3390/life14040498

De studie werd gefinancierd door een Cambridge Research Grant for Planetary Science and Life in the Universe.