Τα αμινοξέα δημιουργήθηκαν πολύ νωρίς μετά την Μεγάλη Έκρηξη

Posted on 10/07/2018

0


Σύμφωνα με την δημοσίευση «The clock of chemical evolution» των Stuart A. Kauffman, Dávid P. Jelenfi, and Gábor Vattay τα αμινοξέα δημιουργήθηκαν περίπου 165 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη

Μια νέα δημοσίευση σχετικά με την χημική εξέλιξη αποδεικνύει πως τα αμινοξέα υπήρχαν στο νεαρό σύμπαν, περίπου 9 δισεκατομμύρια χρόνια πριν εμφανιστεί η ζωή στη Γη. Αυτό έχει σημαντικές συνέπειες στην κατανόηση της προέλευσης της ζωής και των προσπαθειών της αναδημιουργίας της στο εργαστήριο.

Το 1952, οι χημικοί Stanley Miller και Harold Urey, αναπαρήγαγαν στο εργαστήριο τις συνθήκες που επικρατούσαν στην Γη πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Στο πείραμά τους χρησιμοποιήθηκε νερό (H2O), μεθάνιο (CH4), αμμωνία (NH3) και υδρογόνο (H2). Το υγρό νερό θερμαίνονταν ώστε να προκληθεί εξάτμιση, ενώ πυροδοτούνταν σπινθήρες μεταξύ ηλεκτροδίων ώστε να προσομοιωθούν οι αστραπές στην ατμόσφαιρα. Μετά το πέρας μιας εβδομάδας οι Miller και Urey παρατήρησαν τον σχηματισμό οργανικών ενώσεων. Παράχθηκαν αμινοξέα, τα οποία απαιτούνται για την παρασκευή των πρωτεϊνών στα ζωντανά κύτταρα, με την γλυκίνη να είναι το πιο συχνά εμφανιζόμενο. Σχηματίστηκαν ακόμα υδατάνθρακες, λιπίδια , και άλλα δομικά στοιχεία των νουκλεϊκών οξέων.

Τα συμπεράσματα από το πείραμα ήταν ξεκάθαρα. Αν τα δομικά στοιχεία της ζωής είναι εύκολο να παραχθούν, τότε ίσως η ίδια η ζωή να μην είναι τόσο δύσκολο να δημιουργηθεί. Αυξάνονται οι πιθανότητες  να προκύψει ζωή και αλλού στο σύμπαν, αρκεί να το επιτρέπουν οι συνθήκες.

Έκτοτε, οι αστρονόμοι ανίχνευσαν τα ίδια μόρια σε αστεροειδείς, σε άλλους πλανήτες, ακόμα και στο μεσοαστρικό διάστημα.

Και τούτο εγείρει κάποιες ενδιαφέρουσες ερωτήσεις. Πως σχηματίστηκαν τα πρώτα μόρια στο σύμπαν και πότε ακολούθησαν τα πιο σύνθετα; Και τι συμπεράσματα προκύπτουν όσον αφορά την προέλευση της ζωής;

Απάντηση στα ερωτήματα αυτά επιχειρεί ο Stuart Kauffman και οι συνεργάτες του, από το πανεπιστήμιο Eotvos στη Βουδαπέστη. Αυτοί οι ερευνητές προσομοίωσαν τον τρόπο με τον οποίο τα μόρια σχηματίστηκαν στο νεαρό σύμπαν και δείχνουν πως το αποτέλεσμα εξηγεί ποιοτικά και ποσοτικά τις χημικές ενώσεις που παρατηρούν σήμερα οι αστρονόμοι στο διάστημα. Η εργασία αυτή έχει σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο δημιουργήθηκε η ζωή και στο πως θα μπορούσαμε να την επαναδημιουργήσουμε στο εργαστήριο με την συνθετική βιολογία.

Στην Γη η ζωή φαίνεται πως ξεκίνησε πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια, σε συνθήκες που οι Miller και Urey αναπαρήγαγαν στο διάσημο πείραμά τους, πολύ διαφορετικές από αυτές που επικρατούν σήμερα. Αλλά πως εμφανίστηκε αυτό το μείγμα χημικών ενώσεων στη Γη; Οι αστρονόμοι μπορούν να δουν την ύπαρξη απλών μορίων στο διάστημα, όπως νερό και αμμωνία, αλλά και πιο σύνθετων, όπως κυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες και αμινοξέα. Πως προέκυψε αυτό το μείγμα;

Η γενικότερη απάντηση είναι ότι στα πρώτα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης δημιουργήθηκαν τεράστιες ποσότητες υδρογόνου και ηλίου, οι οποίες αργότερα συντήχθηκαν στο εσωτερικό των πρώτων άστρων παράγοντας βαρύτερα στοιχεία όπως άνθρακας, οξυγόνο και άζωτο. Και στη συνέχεια, μέχρι το θάνατο των άστρων ως σουπερνόβα, προέκυπταν και τα βαρύτερα στοιχεία που βλέπουμε σήμερα στη Γη.

Όμως ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα στοιχεία ενώνονται για να σχηματίσουν μόρια δεν έχει κατανοηθεί πλήρως. Ένας λόγος είναι πως ο αριθμός των πιθανών μορίων είναι τεράστιος. «Ο αριθμός των διαφορετικών μορίων αυξάνεται υπερ-εκθετικά ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων που τα αποτελούν», λέει ο Kauffman. Το πρόβλημα απλοποιείται αν εξετάζουμε την μάζα των πιθανών μορίων. Πρόκειται για μια μικρότερη ομάδα, που μπορεί να διερευνηθεί ευκολότερα, αφού πολλά διαφορετικά μόρια μπορούν να έχουν την ίδια μάζα. Η κατανομή των μορίων στη Γη είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης, αφού αντιπροσωπεύει το περισσότερο γνωστό χημικά αποκλίνον περιβάλλον.

Έτσι, ο Kauffman και οι συνεργάτες του εξέτασαν την κατανομή των μοριακών μαζών στη Γη, χρησιμοποιώντας την βάση δεδομένων PubChem με πάνω από 90 εκατομμύρια μόρια, εκ των οποίων τα περισσότερα δημιουργούνται φυσικά. Αυτή η κατανομή έχει μέγιστο γύρω στα 290 daltons (η μάζα περίπου 24 ατόμων άνθρακα).  Όπως φαίνεται, στο παρακάτω διάγραμμα, πολλά διαφορετικά μόρια έχουν αυτή την μάζα. Η κατανομή συνίσταται επίσης από μια μακριά «ουρά» που αντιστοιχεί σε μόρια μεγαλύτερων μαζών, της τάξης των χιλιάδων daltons.

Number of molecule masses in the PubChem compound database (main black), number of compositions (green inset) and the average number of multiplicity for each composition in a nominal dalton range (red inset).

Στη συνέχεια οι ερευνητές συνέκριναν αυτή την κατανομή με εκείνη που προέκυψε από την μελέτη του μετεωρίτη Murchison, έναν πολύ καλά μελετημένο μετεωρίτη που έπεσε στην πόλη Murchison στην Αυστραλία, το 1969. Διάφορες αναλύσεις δείχνουν πως αυτή η διαστημική πέτρα περιέχει τουλάχιστον 58.000 διαφορετικά μόρια. Αλλά, για πειραματικούς λόγους, μόρια με μάζες μικρότερες από 200 daltons και μεγαλύτερες από 2000 daltons δεν μπορούν να μετρηθούν, οπότε οι Kauffman et al έπρεπε να διορθώσουν αυτή την παράλειψη.

Η κατανομή των μαζών αυτών των μορίων ακολουθεί μια παρόμοια κατανομή με αυτή που παρατηρείται στη βάση δεδομένων PubChem. Η κορυφή της κατανομής των μαζών των μορίων του μετεωρίτη Murchison βρίσκεται στα 240 daltons και εμφανίζει εκτεταμένη ουρά. Αυτό είναι χρήσιμο γιατί ο εν λόγω μετεωρίτης χρονολογείται από την δημιουργία του ηλιακού μας συστήματος, πριν από 5 δισεκατομμύρια χρόνια, δίνοντάς μας ένα στιγμιότυπο την χημικής εξέλιξης από το μακρινό παρελθόν.

Η βασική ιδέα σ’ αυτή την εργασία είναι ότι από την σύγκριση των δυο κατανομών, είναι δυνατόν να προβλεφθεί πότε σχηματίστηκαν για πρώτη φορά τα σύνθετα μόρια.

Ένα σημαντικό μέρος του προβλήματος είναι ο τρόπος με τον οποίο δημιουργήθηκε αυτή μορφή της κατανομής. Οι Kauffman et al μελέτησαν όλες τις πιθανές χημικές ουσίες και έδειξαν πως αυτά τα μόρια μπορούν να σχηματιστούν με δυο διαφορετικούς τρόπους.

Ένας τρόπος είναι ο σχηματισμός μεγαλύτερων μορίων από αντιδράσεις μικρότερων μορίων με «τυχαία συσσώρευση». Σύμφωνα με τους ερευνητές , «σ’ αυτή τη διαδικασία, δημιουργούνται σχεδόν όλα τα πιθανά μικρά μόρια μετά από κάποιο χρονικό διάστημα».

Ωστόσο, η τυχαία συσσώρευση δεν μπορεί να συμβάλλει στην κατανομή των πολύ μεγάλων μορίων. Σύμφωνα με τον Kauffman αυτά τα μόρια σχηματίζονται με μια διαφορετική διαδικασία που ονομάζεται «προτιμώμενη προσκόλληση». Για παράδειγμα, οι πεπτιδικές αλυσίδες ή πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες δεν σχηματίζονται μέσω της τυχαίας συσσώρευσης των ατόμων, αλλά κυρίως  από τη συσσώρευση μεγαλύτερων δομών όπως αμινοξέα ή αρωματικών δακτυλίων.

Το κλειδί είναι το ότι κάθε διαδικασία οδηγεί σε μια διαφορετική κατανομή.

Η τυχαία συσσώρευση προκαλεί την κορυφή στα 240 daltons, που συνίσταται από μικρά μόρια που σχηματίζονται σχετικά γρήγορα. Η προτιμώμενη συσσώρευση δημιουργεί την μακριά ουρά της κατανομής, που συνίσταται από μεγαλύτερα μόρια, τα οποία σχηματίζονται αργότερα.

Συγκρίνοντας τα σχετικά μεγέθη των δυο κατανομών, του μετεωρίτη Murchison και της Γης, είναι δυνατή η χρονική προέκταση στο παρελθόν για να βρούμε πότε η ξεκίνησε η διαδικασία της προτιμώμενης προσκόλλησης – με άλλα λόγια πότε εμφανίστηκαν για πρώτη φορά τα αμινοξέα στο σύμπαν.

Και η απάντηση είναι πως εμφανίστηκαν για πρώτη φορά περίπου 168 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη! Αν θεωρήσουμε πως η ηλικία του σημερινού σύμπαντος είναι 100, τότε τα αμινοξέα δημιουργήθηκαν όταν το σύμπαν είχε ηλικία 1,2.

Time-line of chemical evolution

Όλα αυτά αναθεωρούν τα συμπεράσματα του πειράματος Miller-Urey. Αντί να προσομοιώνει τις συνθήκες κατά τις οποίες εμφανίστηκε η ζωή στη Γη, το πείραμα αυτό αναπαράγει στην πραγματικότητα τις συνθήκες στις οποίες τα αμινοξέα σχηματίστηκαν για πρώτη φορά, όταν η ηλικία του σύμπαντος ήταν «νηπιακή».

Αυτό έχει σημαντικές επιπτώσεις στον προβληματισμό για την προέλευση της ζωής. Φαίνεται πως τα κύρια συστατικά της ζωής, όπως τα αμινοξέα, να νουκλεοτίδια κι άλλα βασικά μόρια, εμφανίστηκαν πολύ νωρίς, περίπου 8 με 9 δισεκατομμύρια χρόνια πριν εμφανιστεί η ζωή στη Γη. Επομένως, ο σχηματισμός αυτών των μορίων δεν σηματοδότησε την έναρξη της ζωής, όπως θεωρούνταν μετά το πείραμα των Miller-Urey.

Κι αυτό εξηγεί επίσης γιατί οι προσπάθειες επέκτασης των πειραμάτων τύπου Urey-Miller για μήνες και χρόνια δεν έδωσαν ποτέ κάτι ενδιαφέρον. Ακόμη και οι προσομοιώσεις της προέλευσης της ζωής σε υπολογιστή δεν έδωσαν ποτέ ξεκάθαρες ενδείξεις για το πώς πραγματοποιείται το βήμα από τα αμινοξέα στα αυτο-καταλυτικά χημικά δίκτυα και στη συνέχεια στην αυτο-αναπαραγωγή των μορίων της ζωής.

Αυτό είναι λίγο απογοητευτικό για όσους υποστηρίζουν την ιδέα πως το σύμπαν θα μπορούσε να είναι γεμάτο ζωή.

Η ύπαρξη μορίων όπως τα αμινοξέα δεν αποτελεί άμεσο πρόδρομο της ζωής. Τα μυστικά της ζωής κωδικοποιούνται στις αλληλεπιδράσεις και την μετα-χημική εξέλιξη αυτών των μορίων. Οι βιολόγοι που μελετούν την προέλευση της ζωής θα πρέπει να εξετάσουν πολύ πιο προσεκτικά τις ειδικές συνθήκες στις οποίες η προκύπτει η βιολογική εξέλιξη (ή, σύμφωνα με τον Kauffman  «μετα-χημική» εξέλιξη).

 πηγή: https://www.technologyreview.com/s/611588/first-evidence-that-amino-acids-formed-soon-after-the-big-bang/

 

Ετικέτα: