211service.com
Pirmasis įrodymas, kad aminorūgštys susiformavo netrukus po Didžiojo sprogimo
Dar 1952 m. chemikai Stanley Milleris ir Haroldas Urey puikiai atkartojo sąlygas, kurios egzistavo Žemėje prieš maždaug keturis milijardus metų. Jie sandariai uždarytoje kolboje sumaišė vandenį, amoniaką, metaną ir vandenilį, kaitino ją ir sudrėkino kibirkštimis, kad imituotų žaibą. Eksperimentas garsus tuo, kad per kelias dienas kolba pradėjo pildytis sudėtingomis organinėmis molekulėmis, tokiomis kaip aminorūgštys, kurios yra gyvybės elementai.
Pasekmės buvo aiškios. Jei gyvybės statybinius blokus pagaminti paprasta, tai galbūt patį gyvenimą sukurti gali būti ne taip sunku. Tai iškėlė preliminarią galimybę, kad gyvybė gali atsirasti visatoje, kur tik leidžia sąlygos.
Nuo to laiko astronomai rado tų pačių molekulių įrodymų kitose planetose, asteroiduose ir net tarpžvaigždinėje erdvėje.
Ir tai kelia įdomių klausimų. Kaip molekulės pirmiausia susiformavo visatoje ir kada atsirado sudėtingesnės? O ką tai rodo apie gyvybės kilmę?
Šiandien gauname atsakymą iš Stuarto Kauffmano iš Sietlo Sistemų biologijos instituto ir kolegų iš Budapešto Eotvos universiteto darbo. Šie vaikinai imitavo, kaip molekulės turėjo susidaryti ankstyvojoje visatoje, ir parodė, kaip tai atkuria cheminį mišinį, kurį astronomai dabar stebi kosmose. Darbas turi svarbių pasekmių mūsų supratimui apie gyvybės kilmę ir tai, kaip galėtume ją atkurti laboratorijoje naudodami sintetinę biologiją.
Pirma, šiek tiek fono. Atrodo, kad Žemėje gyvybė prasidėjo maždaug prieš keturis milijardus metų sąlygomis, kurios visiškai skiriasi nuo šiandieninių. Milleris ir Urey juos atkartojo savo garsiajame eksperimente.
Bet kaip Žemėje atsirado toks mišinys? Astronomai erdvėje gali matyti paprastų molekulių, tokių kaip vanduo ir amoniakas, bet ir sudėtingesnių, tokių kaip policikliniai aromatiniai angliavandeniliai ir aminorūgštys, įrodymus. Taigi, kaip atsirado šis mišinys?
Platus atsakymas yra tas, kad Didžiojo sprogimo metu atsirado didžiulis kiekis vandenilio ir helio, kurie susiliejo pirmųjų žvaigždžių viduje ir sukūrė sunkesnius elementus, tokius kaip anglis, deguonis ir azotas. Ir tolesnis žvaigždžių formavimasis sukūrė sunkesnį elementų rinkinį, kurį šiandien matome Žemėje.
Tačiau šių elementų susijungimo būdas sudaryti molekules nėra aiškiai suprantamas. Viena iš priežasčių yra ta, kad galimų molekulių skaičius yra didžiulis. Įvairių molekulių skaičius didėja eksponentiškai didėjant [atomų] rinkinio dydžiui, sako Kauffmanas ir kt.
Taigi jie supaprastina problemą žiūrėdami tik į galimų molekulių masę. Tai mažesnė grupė, todėl ją lengviau apsvarstyti, nes daug skirtingų molekulių gali turėti tą pačią masę.
Molekulių pasiskirstymas Žemėje yra geras atspirties taškas, nes tai yra chemiškai pati įvairiausia mokslui žinoma aplinka.
Taigi Kauffmanas ir bendradarbiai pažvelgė į molekulinių masių pasiskirstymą Žemėje, paimtą iš PubChem duomenų bazė daugiau nei 90 milijonų molekulių, kurių didžioji dauguma yra natūralios. Šio pasiskirstymo maksimumas yra maždaug 290 daltonų (masės ekvivalentas maždaug 24 anglies atomams).
Tačiau daug skirtingų molekulių turi tą pačią masę. Paskirstymas taip pat turi ilgą didelės masės molekulių uodegą, matuojamą tūkstančiais daltonų.
Toliau tyrėjai palygino šį pasiskirstymą su Merčisono meteorito – didelės, gerai ištirtos kosminės uolienos, kuri nukrito ant Murčisono miestelio Australijoje, 1969 metais.
Įvairios analizės rodo, kad šioje uolienoje yra mažiausiai 58 000 skirtingų molekulių. Tačiau dėl eksperimentinių priežasčių masės, mažesnės nei 200 daltonų ir didesnės nei 2000 daltonų, negali būti išmatuotos, todėl Kauffmanas ir kiti turi ištaisyti šį praleidimą.
Tada masės pasiskirstymas šiose molekulėse yra panašus į tą, kuris matomas PubChem duomenų bazėje. Murchison pasiskirstymas pasiekia maždaug 240 daltonų ir turi pailgintą uodegą. Tai naudinga, nes Merčisono meteoritas atsirado Saulės sistemos formavimosi metu maždaug prieš penkis milijardus metų, todėl tai yra ankstesnės cheminės evoliucijos momentinė nuotrauka.
Pagrindinė šio dokumento idėja yra ta, kad palyginus du pasiskirstymus galima išsiaiškinti, kada pirmiausia turi susiformuoti sudėtingos molekulės.
Svarbi galvosūkio dalis yra tai, kaip atsirado šis paskirstymo modelis. Norėdami tai išsiaiškinti, Kauffmanas ir bendradarbiai tiria visų įmanomų cheminių medžiagų erdvę ir parodo, kad molekulės gali augti dviem skirtingais būdais.
Pirmajame iš mažesnių molekulių reakcijų atsitiktinai kaupiasi didesnės molekulės. Šio proceso metu beveik visos įmanomos mažos molekulės ir kompozicijos sukuriamos po tam tikro laiko, teigia mokslininkai.
Tačiau atsitiktinis kaupimas negali paaiškinti labai didelių molekulių pasiskirstymo. Kauffmanas ir bendradarbiai teigia, kad tai turi formuotis kitokiu procesu, vadinamu pirmenybiniu prisirišimu. Pavyzdžiui, peptidų grandinės arba policikliniai aromatiniai angliavandeniliai susidaro ne atsitiktinai kaupiant atomus, o daugiausia iš didesnių blokų, tokių kaip aminorūgštys ir aromatiniai žiedai, kaupimosi, sako jie.
Svarbiausia, kad kiekvienas procesas veda į skirtingą paskirstymą. Atsitiktinis kaupimas sukelia 240 daltonų piką iš mažų molekulių, kurios susidaro gana greitai. Pirmenybinis prisirišimas sukuria ilgą didesnių molekulių uodegą, kurios susidaro daug vėliau.
Palyginus santykinius šių dviejų pasiskirstymo dydžius Merčisono meteorite ir Žemėje, turėtų būti įmanoma ekstrapoliuoti atgal, kad būtų galima nustatyti, kada pirmą kartą prasidėjo pirmenybinio prisirišimo procesas, kitaip tariant, kada visatoje pirmą kartą pasirodė aminorūgštys.
Būtent tai daro Kauffmanas ir kiti. Ir atsakymas yra toks, kad aminorūgštys pirmą kartą atsirado praėjus maždaug 168 milijonams metų po Didžiojo sprogimo, kosmologiniu požiūriu tik akies mirktelėjimu.
Visa tai Miller-Urey eksperimentą pateikia visai kita perspektyva. Užuot imitavęs sąlygas, kuriomis Žemėje atsirado gyvybė, šis eksperimentas iš tikrųjų atkuria sąlygas, kuriomis aminorūgštys susiformavo ankstyvojoje visatoje. Iš tiesų, atrodo, kad tai įvyko daug anksčiau, nei kas nors įsivaizdavo.
Tai turi reikšmingų pasekmių mūsų mąstymui apie gyvybės kilmę. Rezultatai rodo, kad pagrindinės gyvybės sudedamosios dalys, tokios kaip aminorūgštys, nukleotidai ir kitos pagrindinės molekulės, atsirado labai anksti, maždaug 8–9 milijardus metų prieš gyvybę, sako Kauffmanas ir kt.
Kadangi tikslios sąlygos, kuriomis Žemėje vystėsi gyvybė, atsirado dar aštuonis–devynerius milijardus metų, aminorūgštys negali būti gyvybės potencialo požymis, kaip buvo manyta po Urey-Miller eksperimento. Jų egzistavimas mėginiuose jokiu būdu nėra tiesioginis gyvybės pirmtakas, sako Kauffmanas ir kt.
Tai taip pat paaiškina, kodėl bandymai pratęsti tokius eksperimentus kaip Urey ir Miller mėnesiais ir metais niekada nedavė nieko įdomaus. Net gyvybės atsiradimo kompiuterinis modeliavimas niekada nepateikė aiškių įrodymų, kaip galima žengti žingsnį nuo aminorūgščių iki autokatalizinių cheminių tinklų, o vėliau prie savaime besidauginančių gyvybės molekulių.
Tai šiek tiek slopina mintį, kad visatoje gali knibždėte knibžda gyvybės. Vietoj to, biologai, tyrinėjantys gyvybės kilmę, turės daug atidžiau pažvelgti į ypatingas sąlygas, kuriomis vyksta biologinė – arba, kaip pasakė Kauffmanas ir bendrai, pocheminė – evoliucija. Pasak jų, gyvenimo paslaptys yra užkoduotos šių molekulių šeimų sąveikoje ir pocheminėje evoliucijoje.
Akivaizdu, kad reikia daug nuveikti.
Nuoroda: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : Cheminės evoliucijos laikrodis