Yaşamın yapı taşları nasıl oluştu?

Bu soru bilim adamlarını uzun süredir rahatsız ediyor. İlk Dünya, kimyasal maddeler açısından zengin su havuzlarıyla doluydu; bu ilkel bir çorbaydı. Ancak karışımlardan yaşamı destekleyen biyomoleküller ortaya çıktı ve ilk hücrelerin ortaya çıkmasına zemin hazırlandı.

Hayat, iki bileşenin oluşmasıyla başladı. Bunlardan biri, genetik planları aktaracak ve yeniden karıştıracak bir moleküler taşıyıcıydı (örneğin DNA). Diğer bileşen proteinlerden, beygirlerden ve vücudun yapısal unsurlarından oluşuyordu.

Her iki biyomolekül de oldukça karmaşıktır. İnsanlarda DNA'da nükleotid adı verilen dört farklı kimyasal "harf" bulunurken, proteinler 20 tür amino asitten oluşur. Bileşenlerin farklı yapıları vardır ve bunların oluşturulması biraz farklı kimyalar gerektirir. Nihai ürünlerin, onları DNA veya proteinler halinde bir araya getirecek kadar büyük miktarlarda olması gerekir.

Bilim insanları katkı maddeleri kullanarak bileşenleri laboratuvarda saflaştırabiliyor. Ancak şu soruyu akla getiriyor: Bu olay Dünya'nın erken dönemlerinde nasıl oldu?

Cevap, Münih Ludwig Maximilians Üniversitesi'nden araştırmacı Dr. Christof Mast'ın, erken Dünya'da bol miktarda bulunan volkanlarda veya jeotermal sistemlerde meydana gelenlere benzer kayalardaki çatlaklar olabileceğini öne sürüyor. Çatlaklar boyunca sıcaklık farklılıklarının biyomolekül bileşenlerini doğal olarak ayırıp yoğunlaştırarak biyomolekülleri saflaştırmak için pasif bir sistem sağlaması mümkündür.

Jeolojiden ilham alan ekip, her biri sıcaklık gradyanına sahip küçük çatlaklar içeren, kabaca bir banka kartı boyutunda ısı akışı odaları geliştirdi. Amino asitlerin veya nükleotidlerin bir karışımı -bir "prebiyotik karışım"- verildiğinde bileşenler kolaylıkla ayrıldı.

Daha fazla oda eklenmesi, yapı olarak benzer olanlar bile kimyasalların daha da yoğunlaşmasını sağladı. Kırık ağı aynı zamanda fonksiyonel bir protein yaratmanın ilk adımı olan amino asitlerin bağlanmasını da sağladı.

"Birbirine bağlı ince kırık ve çatlak sistemlerinin volkanik ve jeotermal ortamlarda her yerde mevcut olduğu düşünülüyor." yazdı takım. Prebiyotik kimyasalları zenginleştiren bu tür sistemler, "yaşamın doğal kökenleri laboratuvarı için istikrarlı bir itici güç sağlayabilirdi."

Bira Hayatı

Yaklaşık dört milyar yıl önce Dünya, meteorların çarptığı ve volkanik patlamalarla dolu, düşmanca bir ortamdı. Ancak bu kaosun ortasında kimya, bir şekilde ilk amino asitleri, nükleotidleri, yağlı lipitleri ve yaşamı destekleyen diğer yapı taşlarını üretti.

Hangi Bu moleküllere katkıda bulunan kimyasal süreçler tartışmaya açıktır. Ne zaman her biri aynı zamanda bir bilmecedir. "Tavuk mu yumurta mı" probleminde olduğu gibi, DNA ve RNA hücrelerdeki proteinlerin oluşumunu yönlendirir; ancak her iki genetik taşıyıcı da çoğalmak için proteinlere ihtiyaç duyar.

Bir teori şunu öne sürüyor: sülfidik anyonlarDünya'nın erken dönem göllerinde ve nehirlerinde bol miktarda bulunan moleküller bağlantı olabilir. Volkanik patlamalarda oluşan bu maddeler, su havuzlarında çözündükten sonra prebiyotik molekülleri RNA'ya dönüştüren kimyasal reaksiyonları hızlandırabiliyor. "RNA dünyası" hipotezi olarak adlandırılan fikir, RNA'nın genetik bilgiyi taşıyabildiği ve bazı kimyasal reaksiyonları hızlandırabildiği için Dünya'yı süsleyen ilk biyomolekül olduğunu öne sürüyor.

Diğer bir fikir Bu, biri meteorlardan, diğeri Dünya'dan gelen iki bol kimyasalın ve bir miktar UV ışığının yer aldığı bir süreç yoluyla, erken Dünya'da üretilen nükleotidler, lipitler ve amino asitler üzerindeki meteor etkileridir.

Ancak bir sorun var: Her yapı taşı seti farklı bir kimyasal reaksiyon gerektiriyor. Yapı veya kimyadaki küçük farklılıklara bağlı olarak, bir coğrafi konumun bir tür prebiyotik moleküle diğerine göre eğilmiş olması mümkündür.

Nasıl? Yeni çalışma, şu tarihte yayınlandı: Tabiat, bir cevap sunuyor.

Tünel Ağları

Erken Dünya'yı taklit eden laboratuvar deneyleri genellikle önceden saflaştırılmış, iyi tanımlanmış bileşenlerle başlar. Bilim adamları ayrıca, özellikle çoklu kimyasal reaksiyon adımları için ara yan ürünleri de temizliyorlar.

Ekip, sürecin çoğunlukla "istenen ürünün çok küçük konsantrasyonlarda kaybolmasıyla" sonuçlandığını veya ürünün yaratılmasının tamamen engellenebileceğini yazdı. Reaksiyonlar ayrıca, Dünya'nın doğal ortamına pek benzemeyen, mekansal olarak ayrılmış birden fazla odayı gerektirir.

Yeni çalışma jeolojiden ilham aldı. Erken Dünya, volkanlar ve jeotermal sistemlerdeki çeşitli kayalarda bulunan karmaşık su dolu çatlak ağlarına sahipti. Kayaların aşırı ısınmasıyla oluşan çatlaklar, bir ısı gradyanı kullanarak karmaşık molekül karışımını potansiyel olarak filtreleyebilecek doğal "saman"lar oluşturdu.

Her molekül, boyutuna ve elektrik yüküne bağlı olarak tercih edilen bir sıcaklığı tercih eder. Farklı sıcaklıklara maruz kaldığında doğal olarak ideal seçimine doğru hareket eder. Termoforez olarak adlandırılan işlem, bir çorba malzemesini tek adımda birden fazla farklı katmana ayırır.

Ekip, bir ısı akış odası kullanarak tek bir ince kaya kırığını taklit etti. Yaklaşık bir banka kartı büyüklüğündeki bölmede 170 mikrometre çapında, yaklaşık insan saçı genişliğinde küçük çatlaklar vardı. Bir sıcaklık gradyanı oluşturmak için odanın bir tarafı 104 Fahrenheit dereceye ısıtıldı ve diğer ucu 77 Fahrenheit dereceye soğutuldu.

İlk testte ekip, odaya amino asitler ve DNA nükleotidleri içeren bir prebiyotik bileşik karışımı ekledi. 18 saat sonra bileşenler tiramisu gibi katmanlara ayrıldı. Örneğin, amino asitlerin en küçüğü olan glisin yukarıya doğru yoğunlaşırken, termoforetik gücü daha yüksek olan diğer amino asitler alta yapışmıştır. Benzer şekilde DNA harfleri ve diğer yaşamı sürdüren kimyasallar da çatlaklarda ayrışmış, bazıları yüzde 45'e kadar zenginleşmiş.

Her ne kadar umut verici olsa da sistem, boyutları değişen, birbiriyle yüksek düzeyde bağlantılı çatlaklara sahip olan erken Dünya'ya benzemiyordu. Doğal koşulları daha iyi taklit etmek için ekip daha sonra üç odayı dizdi ve ilki diğer iki bölüme ayrıldı. Bu, prebiyotik kimyasalları zenginleştirmede tek bir hazneye kıyasla kabaca 23 kat daha verimliydi.

Ekip daha sonra bir bilgisayar simülasyonu kullanarak, prebiyotik kimyasalların gerçekçi bir akış hızını kullanarak 20'ye 20'lik birbirine bağlı oda sisteminin davranışını modelledi. Odalar, diğer amino asitlerden 2,000 kat daha fazla glisin zenginleştirmesi ile demliği daha da zenginleştirdi.

Kimyasal Reaksiyonlar

Temizleyici bileşenler karmaşık moleküllerin oluşumu için harika bir başlangıçtır. Ancak birçok kimyasal reaksiyon, zenginleştirilmesi gereken ilave kimyasallar gerektirir. Burada ekip, iki glisin molekülünü bir araya getiren bir reaksiyona odaklandı.

Kalbinde reaksiyonu yönlendirmeye yardımcı olan trimetafosfat (TMP) bulunur. Ekip, TMP'nin özellikle prebiyotik kimya için ilgi çekici olduğunu ve Dünya'nın erken dönemlerinde az bulunduğunu, bunun da "seçici zenginleştirmeyi kritik hale getirdiğini" açıkladı. Tek odacık, diğer kimyasallarla karıştırıldığında TMP seviyelerini arttırdı.

Bir bilgisayar simülasyonu kullanılarak, bir TMP ve glisin karışımı, nihai ürünü (iki kat glisini) beş kat artırdı.

Ekip, "Bu sonuçlar, aksi takdirde zorlayıcı olan prebiyotik reaksiyonların, farklı bölgelerdeki kimyasalları seçici olarak zenginleştiren ısı akışlarıyla büyük ölçüde artırıldığını gösteriyor" diye yazdı.

Toplamda 50'den fazla prebiyotik molekülü test ettiler ve kırıkların onları kolayca ayırdığını buldular. Her çatlak farklı molekül karışımına sahip olabileceğinden, bu durum birden fazla yaşamı sürdüren yapı taşının yükselişini açıklayabilir.

Yine de yaşamın yapı taşlarının organizmaları oluşturmak üzere nasıl bir araya geldiği hâlâ gizemini koruyor. Isı akışları ve kaya çatlakları muhtemelen yapbozun sadece bir parçası. Nihai test, bu saflaştırılmış prebiyotiklerin bir hücre oluşturacak şekilde bağlanıp bağlanmadığını ve nasıl olduğunu görmek olacaktır.

Resim Kredisi: Christof B. Mast

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/