physics4u - Πώς άρχισε η ζωή; Βιοχημική εξέλιξη στις ορυκτές επιφάνειες

Πώς άρχισε η ζωή στη Γη; Ένας γεωφυσικός στο πανεπιστήμιο του Σικάγου, ο Joseph Smith, δίνει μια θεωρία για το πώς τα μικρά οργανικά μόρια μπορεί να ήταν σε θέση να συγκεντρωθούν στις επιφάνειες των μεταλλευμάτων για να κάνουν αυτο-αντιγραφή των βιομορίων -- τις βασικές δομικές μονάδες της ζωής.

"Το πρόβλημα με τις περισσότερες θεωρίες για την προέλευση της ζωής είναι ότι υπάρχει πάρα πολύ νερό γύρω από το είδος των οργανικών ενώσεων που χρειάζονται για να πραγματοποιηθεί", εξηγεί ο Smith Louis Block καθηγητής στις γεωφυσικές επιστήμες.

"Η σύνθεση των βιομορίων από τις οργανικές ενώσεις που διασκορπίζονται μέσα στις υδάτινες 'σούπες', απαιτεί έναν μηχανισμό για να συγκεντρωθούν τα οργανικά είδη το ένα δίπλα στο άλλο, και βιοχημικά σπουδαία πολυμερή σώματα -- όπως τα πολυπεπτίδια και τα ριβονουκλεϊκά οξέα -- που πρέπει να προστατευθούν από τη φωτοχημική καταστροφή από την ηλιακή ακτινοβολία."

Ο Smith υποθέτει ότι αυτή η χημεία θα μπορούσε να έχει διευκολυνθεί από τα μεταλλεύματα πλούσια σε πυρίτιο - που μοιάζουν με το ζεόλιθο, πορώδεις κρυστάλλους με κανάλια να τα διατρέχουν. Οι περισσότεροι ζεόλιθοι είναι υδρόφιλοι και τείνουν να απορροφήσουν το νερό από τον γειτονικό χώρο τους. Αλλά ορισμένοι συνθετικοί ζεόλιθοι είναι οργανόφιλοι, απορροφώντας κατά προτίμηση οργανικά υλικά από το νερό.

Μια φυσική μορφή οργανόφιλου ζεόλιθου ανακαλύφθηκε πρόσφατα στην Ανταρκτική, και νομίζει ο Smith ότι αυτό το μετάλλευμα θα μπορούσε να δώσει το κλειδί στη χημική εξέλιξη που οδήγησε στην προέλευση της ζωής. Είναι δυνατό αυτός ο ειδικός ζεόλιθος, που έχει αργίλιο αντί του πυριτίου, χάνει το αργίλιο στην επιφάνειά του για να γίνει εμπλουτιστεί με πυρίτιο μέσω της διάβρωσης, δηλώνει ο Smith. Κι ένα μικρό ποσό αργιλίου που παραμένει θα πρόσφερε τα καταλυτικά κέντρα για τη συγκέντρωση των οργανικών μορίων στα πολυμερή σώματα.

"Για πολλά χρόνια, έχω αναρωτηθεί εάν ένα τέτοιο υλικό θα μπορούσε να εμφανιστεί στη φύση", λέει ο Smith. Εάν τα μικρά οργανικά μόρια, όπως τα αμινοξέα, θα μπορούσαν να συσσωρευτούν στους πόρους του ζεόλιθου, αν η ορυκτή επιφάνεια θα μπορούσε να είναι το καταλυτικό πλαίσιο για να συναρμολογηθούν σε πολυμερή σώματα και να προστατευτούν από την καταστροφή εξ αιτίας του ήλιου.

Ένα διάσημο πείραμα που εκτελέσθηκε στο πανεπιστήμιο του Σικάγου το 1954 από τον τότε μεταπτυχιακό σπουδαστή Stanley Miller μαζί με τον χημικό Harold Urey, τον μετέπειτα νομπελίστα, έδειξε ότι τα αμινοξέα, που φτιάχνουν τις πρωτεΐνες σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, θα μπορούσαν να σχηματιστούν από χημικές ουσίες στην ατμόσφαιρα σε συνδυασμό με νερό και περιβάλλον με αστραπές (ηλεκτρική εκκένωση).

Κανένα πείραμα δεν έχει αποδείξει ακόμα πώς τα αμινοξέα συγκεντρώνονται στις πρωτεΐνες και στις αλυσίδες των ριβονουκλεϊκών οξέων (RNA), αλλά ο Smith προγραμματίζει τέτοια πειράματα χρησιμοποιώντας συνθετικό, οργανοφιλικό ζεόλιθο πλούσιο σε πυρίτιο.

Τα αμινοξέα εμφανίζονται στη φύση σε μορφές δεξιόστροφες και αριστερόστροφες, αλλά μόνο οι αριστερόστροφες βρίσκονται στις πρωτεΐνες των ζωντανών οργανισμών.

Ο Smith τόνισε "είναι πιθανώς μια σύμπτωση ότι μόνο η αριστερόστροφη μορφή χρησιμοποιείται, αλλά μπορεί να είχε αρχίσει σε ένα ζεόλιθο, με ένα αριστερόστροφο κανάλι". Οι ζεόλιθοι με μονοδιάστατα κανάλια θα μπορούσαν να παρέχουν το πρότυπο για τη συναρμολόγηση μόνο ενός τύπου αμινοξέων στις πρώτες πρωτόγονες πρωτεΐνες.

Ο Smith προγραμματίζει ένα ταξίδι στην Αυστραλία, όπου υπάρχουν μερικοί από τους παλαιότερους και ελάχιστα μεταμορφωμένους βράχους και μεταλλεύματα, για να ψάξει για πιο φυσικούς οργανοφιλικούς ζεόλιθους, όπως είναι το είδος mutinaite που βρίσκεται στην Ανταρκτική.

Ελπίζει δε ότι αυτά τα μεταλλεύματα θα περιέχουν ακόμα τα στοιχεία της αρχικής βιοκατάλυσης. Η έρευνα που θα ακολουθήσει θα περιλάβει χημικά πειράματα για να δει εάν οι ζεόλιθοι πραγματοποιούν πραγματικά τη χημεία που αυτός προτείνει, και τη χρήση υπολογιστικών μοντέλων για να μελετήσει τη δομή των καναλιών.