211service.com
Første bevis på at aminosyrer ble dannet like etter Big Bang
Tilbake i 1952 reproduserte kjemikerne Stanley Miller og Harold Urey forholdene som eksisterte på jorden for rundt fire milliarder år siden. De blandet vann, ammoniakk, metan og hydrogen i en forseglet kolbe, varmet den opp og sappet den med gnister for å simulere lyn. Eksperimentet er kjent fordi kolben i løpet av få dager begynte å fylles med komplekse organiske molekyler som aminosyrer, som er livets byggesteiner.
Implikasjonene var klare. Hvis livets byggeklosser er enkle å produsere, så er kanskje ikke selve livet så vanskelig å skape. Det reiste den foreløpige muligheten for at liv kan oppstå i universet der forholdene tillater det.
Astronomer har siden funnet bevis for de samme molekylene på andre planeter, i asteroider og til og med i det interstellare rommet.
Og det reiser noen interessante spørsmål. Hvordan ble det først dannet molekyler i universet, og når oppsto de mer komplekse? Og hva antyder dette om livets opprinnelse?
I dag får vi svar fra arbeidet til Stuart Kauffman ved Institute for Systems Biology i Seattle og kolleger ved Eotvos University i Budapest. Disse karene har simulert måten molekyler må ha blitt dannet på i det tidlige universet og vist hvordan dette reproduserer den kjemiske blandingen som astronomer nå observerer i verdensrommet. Arbeidet har viktige implikasjoner for vår forståelse av livets opprinnelse og for hvordan vi kan gjenskape det i laboratoriet med syntetisk biologi.
Først litt bakgrunn. På jorden ser det ut til at livet har startet for rundt fire milliarder år siden under forhold ganske ulikt de som eksisterer i dag. Miller og Urey reproduserte disse i deres berømte eksperiment.
Men hvordan kom jorden til å ha denne blandingen i utgangspunktet? Astronomer kan se bevis i rommet av enkle molekyler, som vann og ammoniakk, men også av mer komplekse som polysykliske aromatiske hydrokarboner og aminosyrer. Så hvordan ble denne blandingen til?
Det brede svaret er at Big Bang skapte enorme mengder hydrogen og helium, som smeltet sammen inne i de første stjernene for å lage tyngre grunnstoffer som karbon, oksygen og nitrogen. Og ytterligere stjernedannelse smidde det tyngre settet med elementer vi ser på jorden i dag.
Men måten disse elementene kombinerte for å danne molekyler er ikke klart forstått. En grunn er at antallet mulige molekyler er enormt. Antallet forskjellige molekyler øker supereksponentielt med størrelsen på settet [av atomer], sier Kauffman og co.
Så de forenkler problemet ved kun å se på massen av mulige molekyler. Dette er en mindre gruppe, og så lettere å vurdere, fordi mange forskjellige molekyler kan ha samme masse.
Fordelingen av molekyler på jorden er et godt utgangspunkt, fordi det representerer det mest kjemisk mangfoldige miljøet kjent for vitenskapen.
Så Kauffman og co så på fordelingen av molekylmasser på jorden, tatt fra PubChem database av over 90 millioner molekyler, hvorav de aller fleste er naturlige. Denne fordelingen topper seg ved omtrent 290 dalton (ekvivalent i masse til omtrent 24 karbonatomer).
Imidlertid har mange forskjellige molekyler den samme massen. Fordelingen har også en lang hale av høymassemolekyler målt i tusenvis av dalton.
Deretter sammenlignet forskerne denne fordelingen med den i Murchison-meteoritten, en stor, godt studert romstein som falt på byen Murchison, Australia, i 1969.
Ulike analyser viser at denne bergarten inneholder minst 58 000 forskjellige molekyler. Men av eksperimentelle årsaker kan ikke masser under 200 dalton og over 2000 dalton måles, så Kauffman og co må korrigere for denne utelatelsen.
Fordelingen av masse i disse molekylene følger deretter et mønster som ligner det som sees i PubChem-databasen. Murchison-distribusjonen topper seg på rundt 240 dalton og har en utvidet hale. Det er nyttig fordi Murchison-meteoritten stammer fra dannelsen av solsystemet for rundt fem milliarder år siden, noe som gjør den til et øyeblikksbilde av kjemisk utvikling fra en tidligere tid.
Nøkkelideen i denne artikkelen er at ved å sammenligne de to fordelingene, er det mulig å finne ut når komplekse molekyler først må ha dannet seg.
En viktig del av puslespillet er hvordan dette distribusjonsmønsteret oppsto. For å finne ut av det studerer Kauffman og co plassen til alle mulige kjemikalier og viser at molekyler kan vokse på to forskjellige måter.
I det første dannes større molekyler fra reaksjonene til mindre molekyler i en tilfeldig akkumulering. I denne prosessen blir nesten alle mulige små molekyler og sammensetninger skapt etter en viss tid, sier forskerne.
Tilfeldig akkumulering kan imidlertid ikke forklare fordelingen av veldig store molekyler. Kauffman og co sier at disse må dannes i en annen prosess, kalt preferansetilknytning. For eksempel bygges ikke peptidkjeder eller polysykliske aromatiske hydrokarboner via tilfeldig akkumulering av atomer, men hovedsakelig fra akkumulering av større blokker som aminosyrer og aromatiske ringer, sier de.
Nøkkelen er at hver prosess fører til en annen distribusjon. Tilfeldig akkumulering forårsaker toppen ved 240 dalton fra små molekyler som dannes relativt raskt. Preferansetilknytning skaper den lange halen til større molekyler, som mye dannes senere.
Ved å sammenligne de relative størrelsene til disse to distribusjonene på Murchison-meteoritten og på jorden, burde det være mulig å ekstrapolere bakover for å finne ut når prosessen med preferansetilknytning først begynte – med andre ord når aminosyrer først dukket opp i universet.
Det er akkurat det Kauffman og co gjør. Og svaret er at aminosyrer først dukket opp omtrent 168 millioner år etter Big Bang, bare et øyeblink i kosmologiske termer.
Alt dette setter Miller-Urey-eksperimentet i et helt annet perspektiv. I stedet for å simulere forholdene der livet oppsto på jorden, reproduserer dette eksperimentet faktisk forholdene der aminosyrer først ble dannet i det tidlige universet. Dette ser faktisk ut til å ha skjedd mye tidligere enn noen hadde forestilt seg.
Det har betydelige implikasjoner for vår tenkning om livets opprinnelse. Resultatene tyder på at hovedingrediensene i livet, som aminosyrer, nukleotider og andre nøkkelmolekyler, ble til veldig tidlig, omtrent 8-9 milliarder år før livet, sier Kauffman og co.
Siden de nøyaktige forholdene der livet utviklet seg på jorden tok ytterligere åtte til ni milliarder år å dukke opp, kan ikke aminosyrer være et tegn på livspotensial i det hele tatt, slik man trodde etter Urey-Miller-eksperimentet. Eksistensen deres i prøver er på ingen måte en umiddelbar forløper for liv, sier Kauffman og co.
Dette forklarer også hvorfor forsøk på å utvide eksperimenter som Urey og Millers over måneder og år aldri har gitt noe interessant. Selv datasimuleringer av livets opprinnelse har aldri gitt klare bevis på hvordan steget kan tas fra aminosyrer til autokatalytiske kjemiske nettverk og deretter til selvreproduserende livsmolekyler.
Det legger noen demper på ideen om at universet kan vrimle av liv. I stedet vil biologer som studerer livets opprinnelse måtte se mye nærmere på de spesielle forholdene der biologisk – eller som Kauffman og co sa det, postkjemisk – evolusjon oppstår. Livets hemmeligheter er kodet i interaksjonene og den postkjemiske evolusjonen til disse molekylfamiliene, sier de.
Det er åpenbart mye arbeid å gjøre.
Ref: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : The Clock of Chemical Evolution