8 Minutės
Įsivaizduokite gyvybės kilmę ne kaip tvarkingą indą, pilną sriubos, o kaip nešvarų, saulės išdegintą lipnų gleivės sluoksnį, prilipusį prie uolos. Keistas vaizdinys? Taip. Tikėtina? Vis labiau. Vis didėjanti mokslininkų grupė teigia, kad pirmieji gyvybės žingsniai galėjo vykti pusiau kietose gelių struktūrose — biofilmus primenančiuose tinkluose, kurie uždarė, apsaugojo ir organizavo molekules gerokai prieš atsirandant membranoms ir tikroms ląstelėms.
Kodėl gelis, o ne tvenkinys?
Tradicinis vaizdas perkeldavo prebiotinę cheminię evoliuciją į atvirą vandenį: seklias balas, hidrotermines angas ar potvynio lygumas, kur molekulės plūduriuoja ir susiduria. Tokios scenarijai paaiškina daugelį cheminių reakcijų kelių, tačiau jie susiduria su esmine problema: koncentracija. Kaip tiršti, mažai koncentruoti reaguojantys monomerai — aktyvuoti nukleotidai, aminorūgštys ir kiti statybiniai blokai — suranda vienas kitą pakankamai ilgai, kad susijungtų į polimerus, tokius kaip RNR ar baltymai? Kaip trapūs tarpiniai produktai išgyvena intensyvų ultravioletinį spinduliavimą ankstyvojoje Žemėje, turėjusioje mažai atmosferinių apsaugų?
Gelinė pirmumo idėja sprendžia abi problemas. Pusiau kietas matriksas gali veikti kaip molekulinis karkasas: koncentracijos vietos sutelkia reagentus, selektyviai suriša naudingas molekules ir atstumia arba neutralizuoja žalingus veiksnius. Tokioje matrikse vandens aktyvumas yra sumažintas. Tai svarbu, nes mažas vandens aktyvumas skatina polimerizaciją prieš hidrolizę; kitaip tariant, padeda sujungti monomerus į ilgesnius grandinius, o ne juos suskaidyti. Be to, geliai gali amortizuoti temperatūros svyravimus ir silpninti ultravioletinę radiaciją, sukurdami mikroaplinkas, kur subtilūs cheminiai žingsniai gali vykti palankesnėmis sąlygomis.
Gelis būtų tinkama vieta gyvybės žaliavoms konstruoti.
Hirošimos universiteto astrobiologas Tony Jia ir jo bendraautoriai perėmė gelio sąvoką ne kaip pasyvios aplinkos, o kaip aktyvaus dalyko prebiotinėje chemijoje. "Vietoje to, kad koncentruotume dėmesį vien tik į biomolekules, mūsų koncepcija suteikia geliams pamatinę rolę gyvybės pradžioje", — aiškina Jia, siūlydamas, kad paviršiui prilipę geliniai tinklai galėjo talpinti reakcijų tinklus, kurie su laiku tapo vis sudėtingesni. Šiame vaizdinyje protoplastai — primityvios membrana apgaubtos struktūros — nėra pradžios taškas, o kyla kaip emergentinė cheminės organizacijos geluose pasekmė.
Svarbu pabrėžti, kad terminas "gelis" apima įvairias fizines ir chemines būsenas: nuo polisacharidų ar peptidų pagrindu susidarančių hidrogelių iki koacervatų ir mineralų-organinių matričių. Kiekviena medžiaga turi skirtingas sorbcijos, dyfuzijos ir katalizės savybes, todėl geliai gali veikti tiek kaip koncentratoriai, tiek kaip katalitinės fazės, skirtingai reguliuojančios chemines reakcijas.
Mechanizmai, kuriuos geliai galėtų įgalinti
Gele monomerai gali būti sutelkti į kišenes ir mikrokanalus. Tokia erdvinė organizacija padidina produktyvių susidūrimų tikimybę ir leidžia reaguojantiems tarpininkams kauptis vienas ant kito, palaipsniui statant sudėtingesnes struktūras. Geliai taip pat gali būti selektyvūs: jų polimeriniai tinklai skirtingai sąveikauja su įkrautomis ir neutraliosiomis molekulėmis — tai reiškia, kad kai kurios rūšys yra sulaikomos, kol kitos difuzuoja lauk. Tokia selektyvi sorbcija gali skatinti tiek monomerų koncentravimą, tiek katalizės sąlygų susidarymą tam tikroms reakcijoms.
Energijos įėjimas geluose gali būti įvairialypis. Matoma ir infraraudonoji šviesa skverbiasi į paviršinius gelius; ultravioletinė spinduliuotė gali būti susilpninta, bet vis tiek pasiekti vidinius sluoksnius ir sukelti fotochemines reakcijas, primenančias primityvią fotosintezę. Tuo pačiu metu elektronų pernešimai tarp matrikse užstrigusių cheminių junginių galėtų užuosti pačias pirmąsias metabolizmo tipo ciklus. Kai kuriuose eksperimentuose, imituojančiuose gelines sąlygas, nustatyta, kad oksidacijos-redukcijos poros ir paviršinės katalizės vietos veikia kaip energijos konversijos centrai, leidžiantys vykdyti chemines reakcijas uždaruose mikroskopiniuose ratuose.
Gelinės matricos taip pat keičia vandens termodinamiką: sumažintas vandens aktyvumas ne tik skatina kondensacines reakcijas (pvz., esterifikaciją ar peptidų ryšio formavimą), bet ir stabilizuoja laikinus angliavandenilių ar nukleotidų junginius nuo hidro'nų atakų. Be to, geliai gali sudaryti elektrostatinius gradientus ir fiksuoti metalų jonus (pvz., Fe, Mg, Mn), kurie veikia kaip ko-faktoriai kataliziniuose procesuose, panašiai kaip šiuolaikiniai fermentai.
Scheminis galimų prebiotinių kelių, paremtų gelių matriksomis, vaizdavimas veda prie gyvybės atsiradimo
Idėja nėra visiškai nauja — pasiūlymai, kad geliai ar koacervatai galėjo vaidinti svarbų vaidmenį, siekia vidurinius 2000-uosius — tačiau 2025 m. publikuotas straipsnis ChemSystemsChem sintezuoja eksperimentinius duomenis ir teorinius modelius, kad pateiktų tvirtesnį argumentą. Laboratoriniai šiuolaikinių biofilmų tyrimai ir minkštosios medžiagos chemija rodo, kad geliai gali koncentruoti ir saugoti biomolekules, tuo tarpu kompiuteriniai modeliai iliustruoja, kaip reakcijų tinklai galėtų augti ir sudėtingėti tokiuose tinkluose.
Eksperimentinės studijos apima šias sritis: hidrogeliai, sudaryti iš peptidų ar polisacharidų, demonstruoja monomerų imobilizaciją; koacervatai — skysčių skirstiniai, susidarantys iš polielektrolitų sąveikos — rodo, kaip membranos neturinti fazė gali skatinti polimerizaciją; mineraliniai geliai, susidarantys ant poringų uolienų, demonstruoja unikalias katalitines savybes dėl paviršinių jonų ir mikrostruktūros. Kiekvienas iš šių modelių pateikia skirtingas priežastis, kodėl geliai galėjo būti prebiotinės chemijos scenoje.
Pasekmės astrobiologijai ir gyvybės paieškai
Jei gyvybė gali kilti geliuose, mūsų paieškos strategijos turėtų persirikiuoti. Vietoje to, kad vien tik ieškotume specifinių molekulių, misijos į Marsą, ledines palydovas, tokius kaip Europa ir Enceladus, ar į uolėtas egzoplanetų paviršiaus sritis galėtų orientuotis į struktūras ar mineralinius nustatymus, kurie palankūs gelių susidarymui: porėtos uolienos, drėgmės-džiūvimo ciklų zonos arba substratai, turtingi organika ir druskomis, skatinančiais gelėjimą. Instrumentai, jautrūs vandens aktyvumo gradientams, mikroorganinių koncentracijos skirtumams ar polimeriniams tinklams, galėtų būti tokie pat vertingi kaip dujų chromatografai ir masių spektrometrai.
Tokia perspektyva išplečia gyvybės aptikimo technologijų tikslus. Tai reiškia, kad gyvybės požymiai ne visada atrodys kaip pažįstama DNR ar ląstelių sienelės; jie gali būti įterpti į minkštas, sudėtingas medžiagas, reikalaujančias kitokio mėginių ėmimo ir vaizdavimo požiūrio. Pavyzdžiui, vietoj tikėtinų monomerų identifikavimo, gali būti verta ieškoti mikrostruktūrinių matematinių modelių, kuriuos sudaro organinių ir mineralinių komponentų sluoksniai, arba vietinių energijos gradientų, kurie rodo vykstančius redoks procesus.
Praktiniai instrumentai ir metodai, kurie galėtų būti perbraižyti arba papildyti, apima:
- mikroskopiją didinimu ir AFM (atominės jėgos mikroskopija) minkštųjų depozitų paviršiaus analizėms;
- Raman ir FTIR spektroskopiją organinių ir polimerinių grupių atpažinimui;
- mikrofluidinius mėginių ėmimo moduliai, leidžiantys išskirti ir atskleisti mikroskopines gelio kišenes;
- in situ elektrocheminius jutiklius redoks gradientams ir elektronų pernašai aptikti;
- mažos energijos rentgeno difrakciją ir sinchrotronines technikas mineralinei-organinei interakcijai tirti.
Tokie instrumentai gali padėti identifikuoti ne tik molekulinę sudėtį, bet ir medžiagų architektūrą bei funkcinę dinamiką — būdingas bruožas gelinėms sistemoms, kurios gali palaikyti ilgesnes arba ciklines reakcijų grandines.
Eksperto įžvalga
"Geliai suteikia mums vidurio erdvę tarp atviro vandens chaoso ir uždaro vezikulo apribojimų", — sako fikcinė, bet realistiška astrobiochemikė dr. Elena Márquez. "Jie sukuria kišenes, kuriose chemija gali bręsti — kur formuojasi atgalinio ryšio ciklai ir kompleksumas gali pagreitėti. Misijų planuotojams tai reiškia žvalgybą į reljefus su kintančia drėgme ir mineralų paviršius, galinčius talpinti minkštas matricas." Ši nuomonė pabrėžia praktinį poslinkį: projektuoti instrumentus, galinčius rasti ir tirti minkštus, lipnius nuosėdinius sluoksnius, o ne vien tik analizuoti stambią uolienų masę.
Mastydami gyvybės atsiradimo modelius reikia atsižvelgti į kelis svarbius taksonominius ir eksperimentinius aspektus: medžiagų heterogeniškumą, erdvinius gradientus, laiko mastus (ciklinius drėgmės ir temperatūros pokyčius), bei kovariacijas tarp organinių ir anorganinių komponentų. Geliuose vykstančios procesų sankirtos — sorbcija, katalizė, izoliuotos kondensacijos ir švelnūs redoks ciklai — gali kartu įveikti kliūtis, su kuriomis tradicinės atviro vandens ar vien tik membraninės hipotezės susiduria.
Galvojimas apie gyvybės kilmę iš gleivių gali atrodyti nepatrauklus, tačiau mechanizmas išsprendžia kelis užsispyrusius kilmės problemų klausimus: koncentraciją, apsaugą ir kelią link didėjančios cheminės sudėtingumo. Nesvarbu, ar pirmosios organizmų formos gimė balutėse, angose ar geliuose, naujas dėmesys minkštosioms medžiagoms išplečia galimų gyvybę palaikančių pasaulių žodyną ir keičia, kur nukreipiame teleskopus bei nusileidimo aparatus kitiems tyrimams.
Galiausiai verta paminėti tarpdisciplininę prigimtį šio tyrimo: chemijos, fizikos, geologijos, mikrobiologijos ir inžinerijos sintezė yra būtina, kad būtų imituotos realistinės prebiotinės gelinės aplinkos laboratorijoje ir lauke. Tokie integruoti požiūriai didina mūsų gebėjimą suformuluoti testuojamas hipotezes ir parengti misijas, galinčias tiesiogiai patikrinti, ar geliai iš tiesų buvo gyvybės kilmės katalizatoriai ankstyvojoje Žemėje ar kituose pasauliuose.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą