8 Minutės
Nauji laboratoriniai eksperimentai rodo, kad Žemės pirmykštė atmosfera galėjo sintetinti sierą turinčias biomolekules — įskaitant aminorūgštis, tokias kaip cisteinas — iš paprastų dujų veikiant šviesai. Šis atradimas keičia supratimą apie tai, kur ir kaip galėjo atsirasti gyvybės pirmtakų statybinės dalys, t. y. prebiotinės molekulės, ir išplečia hipotezes apie atmosferinę prebiotiką, fotocheminius procesus ir jų reikšmę astrobiologijoje.
Dangus, gaminęs sudėtingas sieros jungtis
Kolorado universiteto (University of Colorado Boulder) mokslininkų ir jų partnerių tyrimas, paskelbtas Proceedings of the National Academy of Sciences, aptiko, kad laboratorijoje imituota prebiotinė atmosfera pagamino netikėtai platų sieros turinčių molekulių spektrą. Išspinduliavus mišinio, kuriame buvo metanas (CH4), anglies dioksidas (CO2), vandenilio sulfidas (H2S) ir azotas (N2) — dujų, kurios, remiantis geocheminiais rekonstrukcijomis, galėjo būti gausios ankstyvojoje Žemėje — mišinius artimai natūraliems saulės spinduliams, susidarė junginiai, ilgą laiką siejami su gyvybinėmis cheminėmis sekos reakcijomis.
Ankstesni tyrimai ir simuliacijos dažnai manė, kad organinės sieros jungtys, ypač tam tikros aminorūgštys, buvo beveik išimtinai biogeninės kilmės ir reikalavo specialių kelių arba lokalizuotų, geologiškai aktyvių aplinkų, pavyzdžiui, hidroterminių vėžių ar vulkaninių teritorių, kad susidarytų reikšmingomis koncentracijomis. CU Boulder eksperimentai iššaukė šį ribotą požiūrį: paprasta, planetos mastu veikianti atmosferinė chemija, varoma fotochemijos (pvz., ultravioletinių fotonų), galėjo veikti kaip globali gamykla biologiniu požiūriu svarbioms sieros formoms. Tokia hipotezė pabrėžia, kad sieros organika galėjo būti plačiai prieinama ir taip reikšmingai paveikti ankstyvosios biosferos maistinių medžiagų įvairovę ir prieinamumą.
Ką parodė eksperimentas ir kaip jis buvo atliktas
Laboratorijoje tyrėjai kontroliuojamoje kameroje ekspozavo dujinį mišinį ultravioletiniams tipams spinduliams, siekdami imituoti ankstyvosios atmosferos apšvietimą saulės spektru. Siera yra itin sudėtinga objektams analizuoti: ji linkusi adsorbuotis ant eksperimentinių paviršių, polimerizuotis arba formuoti daug mažų produktų komplekse, o jos stacionarinės koncentracijos dažnai yra gerokai mažesnės, palyginti su azotu ar anglies dioksidu. Siekdami įveikti šiuos iššūkius, mokslininkai naudojo itin jautrų masių spektrometrą (MS) ir papildomas chromatografines bei filtravimo technikas, kurios leido aptikti ir identifikuoti pėdsakines sieros turinčias organines molekules bei atskirti jas nuo susidarančių neorganinių sieros junginių.
Analizėje nustatyti reakcijos produktai apėmė aminorūgštį cisteiną bei kitas sieros nešančias biomolekules, tokias kaip taurinas ir koenzimas M — junginius, kurie atlieka svarbias roles dabartinėje medžiagų apykaitoje ir energetiniuose procesuose. Kadangi šios molekulės aptinkamos simuliuotoje atmosferoje, išeitis yra akivaizdi: jos galėjo formuotis prieš patį gyvybės atsiradimą ir vėliau „virtis“ į skystąsias ar kietąsias Žemės dalis — nuleisdamos ant žemės, į vandenynus ar into seklumus kaip paruoštus statybinius blokus, kuriuos vėlesni cheminiai arba geologiniai procesai galėjo integruoti į sudėtingesnes prebiotines reakcijų grandines. Tokia atmosferinė sintetinė trasa reiškia, kad biologiniu požiūriu reikšmingos sieros molekulės galėjo būti tiek globaliai paskirstytos, tiek periodiškai konsoliduotos per lietų, kondensaciją ar adsorbciją ant mineralinių dalelių.
Nate Reed ir Ellie Browne dirba laboratorijoje.
Mastelio keitimas: kaip tai veikia planetos kontekste
Be atskirų molekulių aptikimo, tyrėjų komanda atliko kiekybinius apskaičiavimus, kiek cisteino ir susijusių sieros aminorūgščių galėjo pagaminti visa pirminė atmosfera per geologinius laikotarpius. Remdamiesi išmatuotais reakcijos efektyvumo rodikliais, fotonų srauto prielaidomis ir numanomomis ankstyvosios atmosferos dujų koncentracijomis, mokslininkai apskaičiavo, kad atmosferos sintezė galėjo pagaminti cisteino tiek, kad to užtektų aprūpinti maždaug vieną oktilijoną (1 × 10^27) ląstelių. Tai yra labai didelis skaičius, nors vis tiek mažesnis už šiandienį tiekimą ar gyvų organizmų bendrą bioįvairovės tūrį (~1 × 10^30 ląstelių), bet svarbu tai, kad atmosfera galėjo aprūpinti globalią sieros aminorūgščių atsargą, potencialiai pakankamą „sėklinti" pradinėms ekosistemoms ir cheminėms sankaupoms.
Tokia atmosferinė gamyba keičia pasakojimą apie vietas, kuriose galėjo atsirasti pirmosios gyvybei reikšmingos molekulės. Vietoj to, kad reikėtų labai retų, lokaliai turtingų cheminių nišų, bent jau dalis esminių organinės sieros reakcijų galėjo būti išskaidytos per visą planetą ir pasiekiamos plačiu mastu. Tai išplečia patikimų gyvybės atsiradimo scenarijų rinkinį ir rodo labiau palankią, universalų cheminių galimybių foną turėjusią praeitį. Tokiu būdu atmosferinė fotochemija tampa pagrindine hipoteze, kurią privalu integruoti į modelius apie abiogeninės sintezės trajektorijas ir dėl kurios keičiasi prioritetai laboratorinėse prebiotinėse simuliacijose.
Pasekmės gyvybės kilmės tyrimams ir egzoplanetų biosignalams
Rezultatai turi dvi tiesiogines implikacijas: (1) gyvybės kilmės tyrimai privalo įtraukti atmosferos gamybos kelius kaip potencialiai svarbius kompleksinių organinių šaltinius; ir (2) specifinių sieros dujų aptikimas kitose planetose nebūtinai yra neginčijamas gyvybės ženklas. Pavyzdžiui, ankstesni tos pačios tyrėjų grupės darbai parodė, kad dimetilsulfidas (DMS) — sieros duja, kuri šiuolaikinėje Žemėje dažnai siejama su jūrine biologine veikla — taip pat gali susidaryti abiotiniu būdu iš paprastos atmosferinės chemijos veikiant šviesai. Šie pastebėjimai kartu su naujais eksperimentiniais duomenimis suteikia daugiau niuansų mokslininkų interpretacijoms, kai jie analizuoja sieros specijas, stebimas per misijas, tokias kaip James Webb kosminis teleskopas (JWST) arba būsimos spektroskopinės platformos.
Egzoplanetoje sieros junginių aptikimas tebėra reikšmingas ir pripažįstamas pasiekimas, tačiau šie laboratoriniai rezultatai parodo, kad būtina kruopščiai vertinti, ar aptikti junginiai yra biogeninės kilmės, ar juos pagamino fotocheminiai ar geocheminiai procesai. Šiai problemai spręsti būtinas tarpdisciplininis požiūris, apimantis planetų atmosferų modeliavimą (įskaitant fotocheminius reakcijų tinklus), laboratorines simuliacijas su ūminėmis ir ilgalaikėmis sąlygomis, ir jautrias spektrines obser-vacijas. Tik tokiu būdu galima atskirti biologinius biosignalus nuo abiogeninių „falsifikuojančių“ reiškinių.
Eksperto įžvalga
Dr. Mira Patel, astrobiologė (tiesiogiai nesusijusi su tyrimu), pažymi: "Šis darbas primena, kad planetų atmosferos yra reaktyvios cheminės sistemos. Kai paprastas dujas veikia šviesa, gali atsirasti nustebinančiai sudėtingi rezultatai. Tai svarbu tiek kalbant apie tai, kaip pradėjo formuotis gyvybė Žemėje, tiek ieškant cheminių požymių, galinčių rodyti gyvybę kitose planetose."
CU Boulder studija taip pat išryškina itin svarbų tikslumo instrumentų vaidmenį prebiotinėje chemijoje. Sieros pėdsakų aptikimas reikalavo analitinės jautrumo ribų stūmimo ir sudėtingų kontrolinių eksperimentų, įskaitant blankus, calibracijas su izotopais ir standartinius metodus. Šios technikos gali būti pritaikytos plačiau kitoms simuliacijoms, tiriančioms, kaip formuojasi azotu-, fosforu- ar sierumi turtingos molekulės planetinėse aplinkose. Tikslesnės analizės leidžia atskirti molekulinius izomerus, nustatyti reaktyvumo kelius ir įvertinti galimus tarpininkus, kurie vėliau galėtų dalyvauti polimerizacijos ar kofermentų susidarymo procesuose, svarbiose ankstyvai metabolinei veiklai.
Tyrimų plėtra apims laboratorinių sąlygų įvairovę: skirtingus saulės spindulių srautus (įskaitant ultravioletinę frakciją), atmosferos sudėties variacijas (pvz., skirtingas CH4/CO2/H2S/N2 santykines koncentracijas), paviršiaus ir aerosolų sąveikas bei temperatūros-slegio diapazonus. Tokie parametrai yra svarbūs, nes atmosferinis fotochemijos laukas labai priklauso nuo redoksinio pusiausvyros, fotonų energijos pasiskirstymo ir žaliavos dujų santykių. Jeigu atmosfera buvo efektyvus aminorūgščių ir kofermentų tiekėjas, tada gyvybės pradžia galėjo mažiau priklausyti nuo retų geologinių lokacijų ir daugiau nuo plačiai paplitusių cheminių procesų. Tai reiškia, kad astrobiologinės hipotezės apie gyvybės atsiradimą turi įtraukti platesnį atmosferinių mechanizmų spektrą ir atsižvelgti į fotochemijos potencialą kaip svarbų abiogeninės sintezės komponentą.
Techninės pastabos ir metodologiniai apribojimai
Nors eksperimentų išvados yra įtikinamos, svarbu pripažinti metodologinius apribojimus. Laboratoriniai sąlygų atitikimai planetiniams kontekstams remiasi prielaidomis apie dujų santykius, fotonų srautus, kameros sienelių adsorbcijas ir laikus, per kuriuos vyksta reakcijos. Sieros tyrimai laboratorijoje reikalauja apsaugos nuo siderofilinių prietaisų dalių, griežtos kontrolės dėl kryžminės taršos ir izotopinių žymėjimų, kad būtų galima patikimai atskirti susidarusius organinius produktus nuo laboratorinės kilmės artefaktų. Be to, atmosferos mastelio pritaikymo skaičiavimai priklauso nuo numatomų lietaus nuosėdų greičių, aerosolų savybių ir planetos hidrologinio ciklo parametrų; tokių kintamųjų neapibrėžtumas gali reikšmingai įtakoti galutinį kiekį, kuris pasiekia paviršių arba tirpsta vandenynuose.
Todėl ateities darbai turėtų apimti: (1) izotopinio žymėjimo eksperimentus, leidžiančius sekliuoti sieros atomus per reakcijų tinklus; (2) ilgesnio laikotarpio eksperimentus, kad įvertintų stabilumą ir tolesnį produktų transformacijų potencialą; (3) platesnį atmosferinių sąlygų diapazoną, imituojantį skirtingus geologinius etapus (pvz., anoksinį Archeją) ir (4) integraciją su geocheminiais modeliais, skaičiuojančiais lietaus, fluksus ir paviršiaus sąveikas. Tik tokiu būdu bus aiškiau, kiek atmosferinis indėlis prisidėjo prie ankstyvųjų prebiotinių reagentų globalaus inventoriaus ir kaip tai derinasi su vietiniais geocheminiais šaltiniais.
Išvados ir tolesni žingsniai
Apibendrinant, laboratoriniai bandymai, kurie rodo sieros turinčių biomolekulių — įskaitant cisteiną — formavimąsi simuliuotoje prebiotinėje atmosferoje, siūlo platesnį ir labiau integruotą požiūrį į abiogenezę. Fotocheminiai keliai galėjo būti svarbus arba net lemiamas tiekėjas tam tikrų amino rūgščių ir kofermentų, sumažindami ankstyvosios gyvybės priklausomybę nuo ribotų geologinių nišų. Ateities tyrimai, derinantys jautrią analizę, teorinius modelius ir kosminio teleskopo stebėjimus, leis dar tiksliau įvertinti atmosferinių procesų vaidmenį Žemėje ir įvertinti panašių procesų potencialą kitose planetose bei egzoplanetų atmosferose. Tokiu būdu ši linija tyrimų prideda reikšmingą sluoksnį supratimui, kaip gali formuotis gyvybės statybinės medžiagos ir kokie stebėjimai turėtų būti laikomi tvirtais biosignalais astrobiologinėje paieškoje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą