Pirmie pierādījumi, ka aminoskābes veidojās drīz pēc Lielā sprādziena

1952. gadā ķīmiķi Stenlijs Millers un Harolds Urijs lieliski atveidoja apstākļus, kas uz Zemes pastāvēja pirms aptuveni četriem miljardiem gadu. Viņi sajauca ūdeni, amonjaku, metānu un ūdeņradi noslēgtā kolbā, karsējot to un saplaisājot ar dzirkstelēm, lai imitētu zibeni. Eksperiments ir slavens, jo dažu dienu laikā kolba sāka piepildīties ar sarežģītām organiskām molekulām, piemēram, aminoskābēm, kas ir dzīvības pamatelementi.

Sekas bija skaidras. Ja dzīvības pamatelementus ir vienkārši izgatavot, iespējams, ka pašu dzīvi nav tik grūti radīt. Tas radīja provizorisku iespēju, ka Visumā var rasties dzīvība, kur vien to atļauj apstākļi.

Kopš tā laika astronomi ir atraduši pierādījumus par tām pašām molekulām uz citām planētām, asteroīdos un pat starpzvaigžņu telpā.

Un tas rada dažus interesantus jautājumus. Kā molekulas vispirms veidojās Visumā un kad radās sarežģītākās? Un ko tas liecina par dzīvības izcelsmi?

Šodien mēs saņemam atbildi no Stjuarta Kaufmana Sietlas Sistēmu bioloģijas institūta un kolēģu Eotvos universitātes Budapeštā darba. Šie puiši ir simulējuši veidu, kā molekulām bija veidojušās agrīnā Visumā, un parādījuši, kā tas atveido ķīmisko maisījumu, ko astronomi tagad novēro kosmosā. Darbam ir svarīga ietekme uz mūsu izpratni par dzīvības izcelsmi un to, kā mēs to varētu atkārtoti izveidot laboratorijā ar sintētisko bioloģiju.

Pirmkārt, nedaudz fona. Šķiet, ka uz Zemes dzīvība ir sākusies pirms aptuveni četriem miljardiem gadu apstākļos, kas ir diezgan atšķirīgi no šodienas. Millers un Urijs tos atkārtoja savā slavenajā eksperimentā.

Bet kā Zeme vispār radīja šo maisījumu? Astronomi kosmosā var redzēt pierādījumus par vienkāršām molekulām, piemēram, ūdeni un amonjaku, kā arī par sarežģītākām molekulām, piemēram, policikliskiem aromātiskiem ogļūdeņražiem un aminoskābēm. Tātad, kā radās šis maisījums?

Plašā atbilde ir tāda, ka Lielais sprādziens radīja milzīgu daudzumu ūdeņraža un hēlija, kas saplūda pirmajās zvaigznēs, veidojot smagākus elementus, piemēram, oglekli, skābekli un slāpekli. Un turpmāka zvaigžņu veidošanās veidoja smagāku elementu kopumu, ko mēs šodien redzam uz Zemes.

Bet veids, kā šie elementi apvienojās, veidojot molekulas, nav skaidri saprotams. Viens no iemesliem ir tas, ka iespējamo molekulu skaits ir milzīgs. Dažādu molekulu skaits pieaug supereksponenciāli līdz ar [atomu] kopas lielumu, saka Kauffman un co.

Tātad viņi vienkāršo problēmu, aplūkojot tikai iespējamo molekulu masu. Šī ir mazāka grupa, un tāpēc to ir vieglāk apsvērt, jo daudzām dažādām molekulām var būt vienāda masa.

Molekulu izplatība uz Zemes ir labs sākumpunkts, jo tā pārstāv zinātnei zināmo ķīmiski daudzveidīgāko vidi.

Tātad Kaufmans un kolēģi aplūkoja molekulmasu sadalījumu uz Zemes, kas ņemta no PubChem datu bāze vairāk nekā 90 miljonu molekulu, no kurām lielākā daļa ir dabiskas. Šis sadalījums sasniedz maksimumu pie aptuveni 290 daltoniem (masas ekvivalents aptuveni 24 oglekļa atomiem).

Tomēr daudzām dažādām molekulām ir tāda pati masa. Izplatījumam ir arī lielas masas molekulu gara aste, ko mēra tūkstošos daltonu.

Pēc tam pētnieki salīdzināja šo izplatību ar Mērčisona meteorītā, lielā, labi izpētītā kosmosa klintī, kas 1969. gadā nokrita uz Mērčisonas pilsētu Austrālijā.

Dažādas analīzes liecina, ka šis iezis satur vismaz 58 000 dažādu molekulu. Taču eksperimentālu iemeslu dēļ masas, kas ir mazākas par 200 daltoniem un virs 2000 daltoniem, nevar izmērīt, tāpēc Kaufmanam un citiem ir jālabo šī izlaidība.

Pēc tam masas sadalījums šajās molekulās atbilst modelim, kas ir līdzīgs PubChem datubāzē redzamajam. Mērčisona izplatības maksimums ir aptuveni 240 daltonu, un tam ir pagarināta aste. Tas ir noderīgi, jo Mērčisona meteorīts ir radies Saules sistēmas veidošanās laikā pirms aptuveni pieciem miljardiem gadu, padarot to par ķīmiskās evolūcijas momentuzņēmumu no agrākiem laikiem.

Galvenā ideja šajā rakstā ir tāda, ka, salīdzinot abus sadalījumus, ir iespējams noskaidrot, kad vispirms ir jāveido sarežģītas molekulas.

Svarīga mīklas daļa ir tas, kā radās šis izplatīšanas modelis. Lai to noskaidrotu, Kaufmans un kolēģi pēta visu iespējamo ķīmisko vielu telpu un parāda, ka molekulas var augt divos dažādos veidos.

Pirmajā gadījumā lielākas molekulas veidojas no mazāku molekulu reakcijām nejaušā uzkrāšanā. Šajā procesā gandrīz visas iespējamās mazās molekulas un kompozīcijas tiek izveidotas pēc noteikta laika, saka pētnieki.

Tomēr nejauša uzkrāšanās nevar izskaidrot ļoti lielu molekulu izplatību. Kaufmans un kolēģi saka, ka tiem jāveidojas citā procesā, ko sauc par preferenciālo piesaisti. Piemēram, peptīdu ķēdes vai policikliskie aromātiskie ogļūdeņraži netiek veidoti, nejauši akumulējot atomus, bet gan galvenokārt no lielāku bloku, piemēram, aminoskābju un aromātisko gredzenu, uzkrāšanās, viņi saka.

Galvenais ir tas, ka katrs process noved pie atšķirīga sadalījuma. Nejauša uzkrāšanās izraisa maksimumu pie 240 daltoniem no mazām molekulām, kas veidojas salīdzinoši ātri. Preferenciālā piesaiste rada lielāku molekulu garo asti, kas daudz veidojas vēlāk.

Salīdzinot šo divu sadalījumu relatīvos izmērus uz Mērčisona meteorīta un uz Zemes, vajadzētu būt iespējai ekstrapolēt atpakaļ, lai noteiktu, kad preferenciālās piesaistes process pirmo reizi sākās, citiem vārdiem sakot, kad aminoskābes pirmo reizi parādījās Visumā.

Tas ir tieši tas, ko dara Kafmans un citi. Un atbilde ir tāda, ka aminoskābes pirmo reizi parādījās apmēram 168 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena, kosmoloģiskā izteiksmē tas ir tikai acu mirklis.

Tas viss nostāda Millera-Urija eksperimentu pavisam citā perspektīvā. Tā vietā, lai simulētu apstākļus, kādos uz Zemes radās dzīvība, šis eksperiments faktiski atveido apstākļus, kādos aminoskābes veidojās agrīnajā Visumā. Patiešām, šķiet, ka tas notika daudz agrāk, nekā kāds iedomājās.

Tam ir būtiska ietekme uz mūsu domāšanu par dzīves izcelsmi. Rezultāti liecina, ka galvenās dzīvības sastāvdaļas, piemēram, aminoskābes, nukleotīdi un citas galvenās molekulas, radās ļoti agri, apmēram 8-9 miljardus gadu pirms dzīvības, saka Kaufmans un citi.

Tā kā precīzi apstākļi, kādos uz Zemes attīstījās dzīvība, radās vēl astoņus līdz deviņus miljardus gadu, aminoskābes nevar liecināt par dzīvības potenciālu, kā tika uzskatīts pēc Urey-Millera eksperimenta. To esamība paraugos nekādā gadījumā nav tiešs dzīvības priekštecis, saka Kaufmans un citi.

Tas arī izskaidro, kāpēc mēģinājumi pagarināt eksperimentus, piemēram, Urey un Millera vairākus mēnešus un gadus, nekad nav devuši neko interesantu. Pat dzīvības izcelsmes datorsimulācijas nekad nav devušas skaidrus pierādījumus tam, kā var spert soli no aminoskābēm uz autokatalītisko ķīmisko tīklu un pēc tam uz pašreproducējošām dzīvības molekulām.

Tas nedaudz kavē domu, ka Visums varētu būt dzīvības pilns. Tā vietā biologiem, kas pēta dzīvības izcelsmi, būs daudz rūpīgāk jāpēta īpašie apstākļi, kādos notiek bioloģiskā vai, kā Kaufmans un līdzi izteicās, postķīmiskā evolūcija. Viņi saka, ka dzīves noslēpumi ir iekodēti šo molekulu ģimeņu mijiedarbībā un pēcķīmiskajā evolūcijā.

Skaidrs, ka ir daudz darāmā.

Atsauce: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : Ķīmiskās evolūcijas pulkstenis

paslēpties