Mai 30, 2024

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Wissenschaftler aus Cambridge stellen eine neue Theorie über den Ursprung der Bausteine ​​des Lebens vor

Wissenschaftler aus Cambridge stellen eine neue Theorie über den Ursprung der Bausteine ​​des Lebens vor

Forscher der Universität Cambridge haben einen Prozess namens Graphitisierung identifiziert, durch den ihrer Theorie nach Moleküle entstehen könnten, die für den Aufbau von Leben wichtig sind, wie Proteine, Phospholipide und Nukleotide auf der frühen Erde. Dieser Prozess, der in einer in der Zeitschrift Life veröffentlichten Studie hervorgehoben wird, legt nahe, dass hohe Temperaturen, die aus himmlischen Einflüssen und Wechselwirkungen mit Eisen und Wasser resultieren, chemische Umgebungen rationalisieren und sie für die Bildung lebensnotwendiger Komponenten begünstigen könnten.

Forscher der Universität Cambridge vermuten, dass Moleküle, die für die Evolution des Lebens wichtig sind, möglicherweise durch einen Prozess namens Graphitisierung entstanden sind. Wenn dies durch Laborexperimente bestätigt wird, können wir möglicherweise die Bedingungen simulieren, unter denen wahrscheinlich Leben entstanden ist.

Wie kamen die lebensnotwendigen Chemikalien dorthin?

Wie die scheinbar zufälligen Lebensbedingungen in der Natur entstanden sind, wird seit langem diskutiert, wobei viele Hypothesen in eine Sackgasse geraten. Forscher der Universität Cambridge haben nun jedoch modelliert, wie diese Bedingungen ablaufen, und dabei die lebensnotwendigen Komponenten in großen Mengen produziert.

Das Leben wird von Molekülen gesteuert, die Proteine, Phospholipide und Nukleotide genannt werden. Frühere Untersuchungen legen nahe, dass nützliche stickstoffhaltige Moleküle wie Nitril – Cyanacetylen(HC3N) und Blausäure(HCN) – und Isonitril – Isocyanid(HNC) und Methylisocyanid(CH3NC) – Kann zur Herstellung dieser lebenswichtigen Elemente verwendet werden. Bisher gibt es keine offensichtliche Möglichkeit, all diese Dinge in der gleichen Umgebung in großen Mengen herzustellen.

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in LebenDie Gruppe hat nun herausgefunden, dass durch einen Prozess namens Graphit theoretisch große Mengen dieser nützlichen Moleküle synthetisiert werden können. Wenn das Modell experimentell verifiziert werden kann, würde dies darauf hindeuten, dass der Prozess ein möglicher früher Schritt der Erde auf ihrem Weg zum Leben war.

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Warum ist es wahrscheinlicher, dass dieser Prozess auftritt als andere?

Das größte Problem bei den Vorgängermodellen besteht darin, dass neben Nitril noch eine Vielzahl anderer Produkte hergestellt werden. Dadurch entsteht ein chaotisches System, das die Entstehung von Leben behindert.

„Ein großer Teil des Lebens ist Einfachheit“, sagte Dr. Paul Rimmer, Assistenzprofessor für experimentelle Astrophysik am Cavendish Laboratory und Mitautor der Studie. „Es ist das System.“ Wir haben einen Weg gefunden, einen Teil der Komplexität zu beseitigen, indem wir kontrollieren, was in der Chemie passieren kann.

Wir erwarten nicht, dass Leben in einer chaotischen Umgebung entsteht. Erstaunlich ist also, wie Graphit selbst die Umwelt reinigt, da bei dem Prozess ausschließlich diese Nitrile und Isonitrile mit überwiegend inerten Nebenprodukten entstehen.

Schematische Darstellung eines vorgeschlagenen Szenarios für die saubere Hochdurchsatzproduktion präbiotischer Rohstoffe

Eine schematische Darstellung des Szenarios, das wir hier für die Produktion sauberer, ertragreicher präbiotischer Rohstoffe vorschlagen. Die Ereignisse bewegen sich im Uhrzeigersinn von oben links: Erstens hat die Erde eine neutrale Atmosphäre. Dieser wird nach einem gewaltigen 4,3-G-Einschlag reduziert, indem der metallische Kern des Colliders oxidiert wird, wodurch eine riesige Menge Wasserstoff entsteht.2 Atmosphäre mit großen Mengen Methan und Ammoniak. Diese Atmosphäre kühlt schnell ab (in weniger als einem Jahr) und die Photochemie erzeugt einen tholinreichen Nebel, der komplexe, stickstoffreiche organische Materialien ablagert. Diese organischen Materialien werden durch die Wechselwirkung mit Magma nach und nach vergraben und angezogen. Der Himmel wird klar, als H2 Es verliert sich im Raum und wird wieder neutral. Schließlich reagieren die geschmolzenen Gase mit dem Graphit und werden verrieben, um große Mengen an sauberem HCN und HC zu erzeugen.3N, Isonitril. Bildnachweis: Oliver Shortle

„Zuerst dachten wir, das würde alles ruinieren, aber es macht tatsächlich alles so viel besser, es reinigt die Chemie“, sagte Rimmer.

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Das bedeutet, dass Graphit die von Wissenschaftlern gesuchte Einfachheit und die saubere Umwelt bieten könnte, die für das Leben erforderlich ist.

Wie funktioniert dieser Prozess?

Das Hadäische Zeitalter war die früheste Periode in der Erdgeschichte, als sich die Erde stark von unserer modernen Erde unterschied. Es überrascht nicht, dass es zu Kollisionen mit Trümmern kam, die manchmal die Größe von Planeten hatten. Die Studie geht davon aus, dass bei der Kollision der frühen Erde mit einem Objekt von etwa der Größe des Mondes vor etwa 4,3 Milliarden Jahren das darin enthaltene Eisen mit Wasser auf der Erde interagierte.

Co-Autor Dr. Oliver Shortle, Professor für Naturphilosophie am Institut für Astronomie und der Abteilung für Geowissenschaften in Cambridge, sagte: „Etwas von der Größe des Mondes traf die Erde früh und hätte eine große Menge Eisen und andere Metalle abgelagert.“ '

Die Reaktionsprodukte von Eisen und Wasser kondensieren zu Teer auf der Erdoberfläche. Der Teer reagiert dann mit dem Magma bei einer Temperatur von über 1500 °C und der Kohlenstoff im Teer verwandelt sich in Graphit – eine sehr stabile Form von Kohlenstoff – die wir in modernen Bleistiften verwenden!

Sobald das Eisen mit Wasser reagiert, entsteht Nebel, der kondensiert und sich mit der Erdkruste vermischt. „Beim Erhitzen bleiben die nützlichen stickstoffhaltigen Verbindungen zurück“, sagte Shortell.

Welche Beweise gibt es, die diese Idee stützen?

Beweise, die diese Theorie stützen, stammen teilweise aus dem Vorhandensein von Komatiit-Gesteinen. Komatit ist eine Art magmatisches Gestein, das entsteht, wenn sehr heißes Magma abkühlt (>1500 °C).

Komatit wurde ursprünglich in Südafrika gefunden. „Die Gesteine ​​stammen aus der Zeit vor etwa 3,5 Milliarden Jahren“, sagte Shortell. „Noch wichtiger ist, dass wir wissen, dass sich diese Gesteine ​​nur bei extremen Temperaturen, etwa 1.700 Grad Celsius, bilden!“ Das bedeutet, dass das Magma bereits heiß genug war, um den Teer zu erhitzen und das nützliche Nitril zu bilden.

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Nachdem der Zusammenhang bestätigt wurde, schlagen die Autoren vor, dass stickstoffhaltige Verbindungen mit dieser Methode synthetisiert werden. Da wir Komatit sehen, wissen wir, dass die Temperatur des Magmas auf der frühen Erde manchmal über 1.500 Grad Celsius betrug.

Was dann?

Nun müssen Experimente versuchen, diese Bedingungen im Labor nachzubilden und zu untersuchen, ob das im System zwangsläufig vorhandene Wasser die Stickstoffverbindungen auffrisst und abbaut.

„Obwohl wir nicht sicher wissen, ob diese Moleküle den Ursprung des Lebens auf der Erde hatten, wissen wir doch, dass die Bausteine ​​des Lebens aus Molekülen bestehen müssen, die im Wasser überlebt haben“, sagte Reimer. „Wenn zukünftige Experimente zeigen, dass Nitril zerfällt, müssen wir nach einer anderen Methode suchen.“

Referenz: „Surface hydrothermal source of nitril and isonitrile“ von Paul P. Rimmer und Oliver Shortle, 10. April 2024, Leben.
doi: 10.3390/life14040498

Die Studie wurde durch ein Cambridge Research Grant for Planetary Science and Life in the Universe finanziert.