Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge zidentyfikowali proces zwany grafityzacją, który według ich teorii może wytwarzać na wczesnej Ziemi cząsteczki niezbędne do budowy życia, takie jak białka, fosfolipidy i nukleotydy. Proces ten, podkreślony w badaniu opublikowanym w czasopiśmie Life, sugeruje, że wysokie temperatury wynikające z wpływów ciał niebieskich oraz interakcji z żelazem i wodą mogą usprawnić środowisko chemiczne, czyniąc je sprzyjającym tworzeniu się składników niezbędnych do życia.
Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge sugerują, że cząsteczki niezbędne do ewolucji życia mogły powstać w procesie zwanym grafityzacją. Jeśli zostanie to potwierdzone eksperymentami laboratoryjnymi, być może uda nam się symulować warunki, w których prawdopodobnie powstało życie.
Jak chemikalia potrzebne do życia się tam dostały?
Od dawna debatowano nad tym, jak pozornie nieoczekiwane warunki do życia powstały w przyrodzie, a wiele hipotez doprowadziło do ślepych zaułków. Jednak naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge stworzyli obecnie model, w jaki sposób zachodzą te warunki, wytwarzając w dużych ilościach składniki niezbędne do życia.
Życiem rządzą cząsteczki zwane białkami, fosfolipidami i nukleotydami. Poprzednie badania sugerują, że korzystne cząsteczki zawierające azot, takie jak nitryl – Cyjanoacetylen(HC3N) i Cyjanowodór(HCN) – i izonitryl – Izocyjanek(HNC) i Izocyjanek metylu(CH3NC) – Można go wykorzystać do wytworzenia tych niezbędnych elementów życia. Jak dotąd nie ma oczywistego sposobu na wytworzenie wszystkich tych rzeczy w tym samym środowisku w dużych ilościach.
W niedawnym badaniu opublikowanym w życieGrupa odkryła obecnie, że w procesie znanym jako grafit teoretycznie można zsyntetyzować duże ilości tych korzystnych cząsteczek. Jeśli model można zweryfikować eksperymentalnie, sugerowałoby to, że proces ten był możliwym wczesnym krokiem Ziemi w jej drodze do życia.
Dlaczego ten proces występuje częściej niż inne?
Największym problemem poprzednich modeli jest to, że obok nitrylu powstaje wiele innych produktów. Tworzy to chaotyczny system, który utrudnia powstawanie życia.
„Dużą częścią życia jest prostota” – powiedział dr Paul Rimmer, adiunkt astrofizyki eksperymentalnej w Cavendish Laboratory i współautor badania. „To jest system”. Wymyśliliśmy sposób na wyeliminowanie części złożoności poprzez kontrolowanie tego, co może się zdarzyć w chemii.
Nie oczekujemy, że życie powstanie w chaotycznym środowisku. Zatem zdumiewające jest to, jak sam grafit oczyszcza środowisko, ponieważ w procesie powstają wyłącznie nitryle i izonitryle, z głównie obojętnymi produktami ubocznymi.
Schematyczne przedstawienie proponowanego tutaj scenariusza produkcji czystych, wysokowydajnych surowców prebiotycznych. Wydarzenia przebiegają zgodnie z ruchem wskazówek zegara, od lewego górnego rogu: Po pierwsze, Ziemia ma neutralną atmosferę. Zmniejsza się to po gigantycznym uderzeniu o sile 4,3 G poprzez utlenienie metalowego rdzenia zderzacza w celu wytworzenia ogromnej ilości wodoru.2 Atmosfera zawierająca duże ilości metanu i amoniaku. Atmosfera ta szybko się ochładza (w czasie krótszym niż rok), a fotochemia wytwarza mgłę bogatą w tolin, która osadza złożone, bogate w azot materiały organiczne. Te materiały organiczne są stopniowo zasypywane i wciągane przez interakcję z magmą. Niebo staje się czyste, gdy H2 Gubi się w przestrzeni i znów staje się neutralny. Na koniec stopione gazy reagują z grafitem i są pocierane w celu wytworzenia dużych ilości czystego HCN i HC.3N, izonitryl. Źródło: Oliver Shortle
„Na początku myśleliśmy, że to wszystko zrujnuje, ale tak naprawdę wszystko staje się o wiele lepsze. To usuwa chemię” – powiedział Rimmer.
Oznacza to, że grafit może zapewnić prostotę, której szukają naukowcy, oraz czyste środowisko potrzebne do życia.
Jak działa ten proces?
Era Hadejska była najwcześniejszym okresem w historii Ziemi, kiedy Ziemia bardzo różniła się od naszej współczesnej Ziemi. Nic dziwnego, że zdarzały się zderzenia z odłamkami, czasami wielkości planet. Badanie zakłada, że kiedy wczesna Ziemia zderzyła się z obiektem mniej więcej wielkości Księżyca, około 4,3 miliarda lat temu, zawarte w nim żelazo wpłynęło na interakcję z wodą na Ziemi.
Współautor dr Oliver Shortle, profesor filozofii naturalnej w Instytucie Astronomii i Wydziale Nauk o Ziemi w Cambridge, powiedział: „Coś wielkości Księżyca uderzyło w Ziemię wcześnie i pozostawiło duże ilości żelaza i innych metali. '
Produkty reakcji żelaza i wody kondensują, tworząc smołę na powierzchni ziemi. Smoła reaguje następnie z magmą w temperaturze ponad 1500°C, a węgiel zawarty w smole zamienia się w grafit – bardzo stabilną formę węgla – właśnie tego używamy w nowoczesnych ołówkach!
Kiedy żelazo reaguje z wodą, tworzy się mgła, która skrapla się i miesza ze skorupą ziemską. „Po podgrzaniu pozostają korzystne związki zawierające azot” – powiedział Shortell.
Jakie istnieją dowody na poparcie tej tezy?
Dowody potwierdzające tę teorię pochodzą częściowo z obecności skał komatyitowych. Komatytu to rodzaj skał magmowych, które powstają w wyniku ochłodzenia bardzo gorącej magmy (>1500°C).
Komatite pierwotnie znaleziono w Republice Południowej Afryki. „Skały pochodzą sprzed około 3,5 miliarda lat” – powiedział Shortell. „Co ważniejsze, wiemy, że te skały powstają tylko w ekstremalnych temperaturach, około 1700 stopni Celsjusza!” Oznacza to, że magma była już wystarczająco gorąca, aby podgrzać smołę i utworzyć przydatny nitryl.
Po potwierdzeniu powiązania autorzy sugerują, że tą metodą będą syntetyzowane związki zawierające azot. Ponieważ widzimy komatyt, wiemy, że temperatura magmy na wczesnej Ziemi czasami przekraczała 1500 stopni Celsjusza.
Co wtedy?
Teraz należy przeprowadzić eksperymenty, aby odtworzyć te warunki w laboratorium i zbadać, czy woda, nieuchronnie obecna w systemie, pochłania związki azotu, rozkładając je.
„Chociaż nie mamy pewności, że te cząsteczki rozpoczęły życie na Ziemi, wiemy, że elementy składowe życia musiały być zbudowane z cząsteczek, które przetrwały w wodzie” – powiedział Reimer. „Jeśli przyszłe eksperymenty wykażą, że nitryl się rozpada, będziemy musieli poszukać innej metody”.
Odniesienie: „Powierzchniowe hydrotermalne źródło nitrylu i izonitrylu”, Paul P. Rimmer i Oliver Shortle, 10 kwietnia 2024 r., życie.
doi: 10.3390/life14040498
Badanie zostało sfinansowane z grantu badawczego Cambridge na rzecz nauk o planetach i życia we wszechświecie.