Τα πεπτίδια στο Stardust μπορεί να παρείχαν μια συντόμευση στη ζωή
Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, κάποια άγνωστη τοποθεσία στην στείρα, αρχέγονη Γη έγινε ένα καζάνι με πολύπλοκα οργανικά μόρια από τα οποία αναδύθηκαν τα πρώτα κύτταρα. Οι ερευνητές της προέλευσης της ζωής έχουν προτείνει αμέτρητες ευφάνταστες ιδέες για το πώς συνέβη αυτό και από πού προήλθαν οι απαραίτητες πρώτες ύλες. Μερικές από τις πιο δύσκολες είναι οι πρωτεΐνες, οι κρίσιμοι κορμοί της κυτταρικής χημείας, επειδή στη φύση σήμερα παράγονται αποκλειστικά από ζωντανά κύτταρα. Πώς δημιουργήθηκε η πρώτη πρωτεΐνη χωρίς ζωή για να την φτιάξει;
Οι επιστήμονες έχουν αναζητήσει ως επί το πλείστον ενδείξεις στη Γη. Ωστόσο, μια νέα ανακάλυψη υποδηλώνει ότι η απάντηση θα μπορούσε να βρεθεί πέρα από τον ουρανό, μέσα σε σκοτεινά διαστρικά σύννεφα.
Τον περασμένο μήνα στο Nature Astronomy , μια ομάδα αστροβιολόγων έδειξε ότι τα πεπτίδια, οι μοριακές υπομονάδες των πρωτεϊνών, μπορούν να σχηματιστούν αυθόρμητα στα στερεά, παγωμένα σωματίδια της κοσμικής σκόνης που παρασύρονται στο σύμπαν. Αυτά τα πεπτίδια θα μπορούσαν θεωρητικά να έχουν ταξιδέψει μέσα σε κομήτες και μετεωρίτες στη νεαρή Γη — και σε άλλους κόσμους — για να γίνουν μερικά από τα αρχικά υλικά για τη ζωή.
Η απλότητα και η ευνοϊκή θερμοδυναμική αυτού του νέου διαστημικού μηχανισμού για τον σχηματισμό πεπτιδίων τον καθιστούν μια πιο ελπιδοφόρα εναλλακτική λύση στις γνωστές καθαρά χημικές διεργασίες που θα μπορούσαν να είχαν συμβεί σε μια άψυχη Γη, σύμφωνα με τον Serge Krasnokutski, τον κύριο συγγραφέα στη νέα εργασία και ερευνητής στο Ινστιτούτο Αστρονομίας Max Planck και στο Πανεπιστήμιο Friedrich Schiller στη Γερμανία. Και αυτή η απλότητα "υποδηλώνει ότι οι πρωτεΐνες ήταν από τα πρώτα μόρια που εμπλέκονται στην εξελικτική διαδικασία που οδηγεί στη ζωή", είπε.
Το αν αυτά τα πεπτίδια θα μπορούσαν να έχουν επιβιώσει από το επίπονο ταξίδι τους από το διάστημα και να συνεισφέρουν ουσιαστικά στην προέλευση της ζωής είναι ένα πολύ ανοιχτό ερώτημα. Ο Paul Falkowski, καθηγητής στη Σχολή Περιβαλλοντικών και Βιολογικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Rutgers, είπε ότι η χημεία που παρουσιάζεται στη νέα εργασία είναι «πολύ δροσερή» αλλά «δεν γεφυρώνει ακόμη το εκπληκτικό χάσμα μεταξύ της πρωτο-πρεβιοτικής χημείας και των πρώτων στοιχείων. της ζωής." Πρόσθεσε, «Υπάρχει μια σπίθα που εξακολουθεί να λείπει».
Ωστόσο, το εύρημα του Krasnokutski και των συναδέλφων του δείχνει ότι τα πεπτίδια μπορεί να είναι ένας πολύ πιο άμεσα διαθέσιμος πόρος σε όλο το σύμπαν από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες, μια πιθανότητα που θα μπορούσε επίσης να έχει συνέπειες για τις προοπτικές για ζωή αλλού.
Κοσμική σκόνη στο κενό
Τα κύτταρα κάνουν την παραγωγή πρωτεϊνών να φαίνεται εύκολη. Παράγουν τόσο πεπτίδια όσο και πρωτεΐνες εξωφρενικά, ενισχυμένα από περιβάλλοντα πλούσια σε χρήσιμα μόρια όπως αμινοξέα και τα δικά τους αποθέματα γενετικών οδηγιών και καταλυτικών ενζύμων (τα οποία είναι τα ίδια συνήθως πρωτεΐνες).
Αλλά πριν υπάρξουν κύτταρα, δεν υπήρχε εύκολος τρόπος να το κάνουμε στη Γη, είπε ο Krasnokutski. Χωρίς κανένα από τα ένζυμα που παρέχει η βιοχημεία, η παραγωγή πεπτιδίων είναι μια αναποτελεσματική διαδικασία δύο σταδίων που περιλαμβάνει πρώτα την παραγωγή αμινοξέων και στη συνέχεια την απομάκρυνση του νερού καθώς τα αμινοξέα συνδέονται σε αλυσίδες σε μια διαδικασία που ονομάζεται πολυμερισμός. Και τα δύο βήματα έχουν υψηλό ενεργειακό φράγμα, επομένως συμβαίνουν μόνο εάν υπάρχουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για να βοηθήσουν στην έναρξη της αντίδρασης.
Λόγω αυτών των απαιτήσεων, οι περισσότερες θεωρίες για την προέλευση των πρωτεϊνών είτε επικεντρώθηκαν σε σενάρια σε ακραία περιβάλλοντα, όπως κοντά σε υδροθερμικές οπές στον πυθμένα του ωκεανού, είτε υπέθεσαν την παρουσία μορίων όπως το RNA με καταλυτικές ιδιότητες που θα μπορούσαν να μειώσουν το ενεργειακό φράγμα αρκετά σπρώξτε τις αντιδράσεις μπροστά. (Η πιο δημοφιλής θεωρία προέλευσης της ζωής προτείνει ότι το RNA προηγήθηκε όλων των άλλων μορίων, συμπεριλαμβανομένων των πρωτεϊνών.) Και ακόμη και κάτω από αυτές τις συνθήκες, ο Krasnokutski λέει ότι θα χρειάζονταν «ειδικές συνθήκες» για να συγκεντρωθούν αρκετά τα αμινοξέα για πολυμερισμό. Αν και υπήρξαν πολλές προτάσεις, δεν είναι σαφές πώς και πού θα μπορούσαν να προκύψουν αυτές οι συνθήκες στην αρχέγονη Γη.
Αλλά τώρα οι ερευνητές λένε ότι βρήκαν μια συντόμευση για τις πρωτεΐνες - μια απλούστερη χημική οδό που ενεργοποιεί εκ νέου τη θεωρία ότι οι πρωτεΐνες ήταν παρούσες πολύ νωρίς στη γένεση της ζωής.
Πέρυσι στη Φυσική χαμηλής θερμοκρασίας , ο Krasnokutski προέβλεψε μέσω μιας σειράς υπολογισμών ότι ένας πιο άμεσος τρόπος για να παραχθούν πεπτίδια θα μπορούσε να υπάρξει υπό τις διαθέσιμες συνθήκες στο διάστημα, μέσα στα εξαιρετικά πυκνά και παγωμένα σύννεφα σκόνης και αερίου που παραμένουν ανάμεσα στα αστέρια. Αυτά τα μοριακά νέφη, τα φυτώρια νέων αστεριών και ηλιακών συστημάτων, είναι γεμάτα με κοσμική σκόνη και χημικές ουσίες, μερικά από τα πιο άφθονα από τα οποία είναι το μονοξείδιο του άνθρακα, ο ατομικός άνθρακας και η αμμωνία.
Στη νέα τους εργασία, ο Krasnokutski και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι αυτές οι αντιδράσεις στα νέφη αερίων πιθανότατα θα οδηγούσαν στη συμπύκνωση του άνθρακα σε σωματίδια κοσμικής σκόνης και στο σχηματισμό μικρών μορίων που ονομάζονται αμινοκετένια. Αυτά τα αμινοκετένια θα συνδεθούν αυθόρμητα για να σχηματίσουν ένα πολύ απλό πεπτίδιο που ονομάζεται πολυγλυκίνη. Παραλείποντας τον σχηματισμό αμινοξέων, οι αντιδράσεις θα μπορούσαν να εξελιχθούν αυθόρμητα, χωρίς να απαιτείται ενέργεια από το περιβάλλον.
Για να ελέγξουν τον ισχυρισμό τους, οι ερευνητές προσομοίωσαν πειραματικά τις συνθήκες που βρίσκονται στα μοριακά νέφη. Μέσα σε έναν εξαιρετικά υψηλό θάλαμο κενού, μιμήθηκαν την παγωμένη επιφάνεια των σωματιδίων της κοσμικής σκόνης εναποθέτοντας μονοξείδιο του άνθρακα και αμμωνία σε πλάκες υποστρώματος παγωμένες στους μείον 263 βαθμούς Κελσίου. Στη συνέχεια, εναπόθεσαν άτομα άνθρακα πάνω από αυτό το στρώμα πάγου για να προσομοιώσουν τη συμπύκνωση τους μέσα στα μοριακά σύννεφα. Οι χημικές αναλύσεις επιβεβαίωσαν ότι η προσομοίωση κενού είχε πράγματι παραγάγει διάφορες μορφές πολυγλυκινών, μέχρι αλυσίδες μήκους 10 ή 11 υπομονάδων.
Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, καθώς η κοσμική σκόνη κολλούσε μεταξύ τους και σχημάτιζε αστεροειδείς και κομήτες, απλά πεπτίδια στη σκόνη θα μπορούσαν να είχαν φτάσει στη Γη με ωτοστόπ σε μετεωρίτες και άλλους κρουστικούς εκτοξευτές. Μπορεί να έκαναν το ίδιο και σε αμέτρητους άλλους κόσμους.
Το χάσμα από τα πεπτίδια στη ζωή
Η παράδοση πεπτιδίων στη Γη και σε άλλους πλανήτες «σίγουρα θα αποτελούσε ένα προβάδισμα» στο σχηματισμό ζωής, δήλωσε ο Daniel Glavin, αστροβιολόγος στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA. Αλλά "Πιστεύω ότι υπάρχει ένα μεγάλο άλμα από τη χημεία της σκόνης του διαστρικού πάγου στη ζωή στη Γη."
Πρώτα τα πεπτίδια θα έπρεπε να υπομείνουν τους κινδύνους του ταξιδιού τους στο σύμπαν, από την ακτινοβολία έως την έκθεση στο νερό μέσα σε αστεροειδείς, που και τα δύο μπορούν να κατακερματίσουν τα μόρια. Τότε θα πρέπει να επιβιώσουν από τον αντίκτυπο του χτυπήματος σε έναν πλανήτη. Και ακόμη κι αν τα κατάφερναν όλα αυτά, θα έπρεπε να περάσουν από πολλή χημική εξέλιξη για να γίνουν αρκετά μεγάλα ώστε να διπλωθούν σε πρωτεΐνες που είναι χρήσιμες για τη βιολογική χημεία, είπε ο Glavin.
Υπάρχουν στοιχεία ότι αυτό συνέβη; Οι αστροβιολόγοι έχουν ανακαλύψει πολλά μικρά μόρια, συμπεριλαμβανομένων αμινοξέων μέσα στους μετεωρίτες, και μια μελέτη του 2002 ανακάλυψε ότι δύο μετεωρίτες περιείχαν εξαιρετικά μικρά, απλά πεπτίδια φτιαγμένα από δύο αμινοξέα. Ωστόσο, οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη ανακαλύψει άλλα πειστικά στοιχεία για την παρουσία τέτοιων πεπτιδίων και πρωτεϊνών σε μετεωρίτες ή δείγματα που επιστρέφονται από αστεροειδείς ή κομήτες, είπε ο Glavin. Δεν είναι σαφές εάν η σχεδόν πλήρης απουσία ακόμη και σχετικά μικρών πεπτιδίων στους διαστημικούς βράχους σημαίνει ότι δεν υπάρχουν ή αν απλώς δεν τα έχουμε εντοπίσει ακόμα.
Αλλά το έργο του Krasnokutski θα μπορούσε να ενθαρρύνει περισσότερους επιστήμονες να αρχίσουν πραγματικά να αναζητούν αυτά τα πιο πολύπλοκα μόρια σε εξωγήινα υλικά, είπε ο Glavin. Για παράδειγμα, το επόμενο έτος το διαστημόπλοιο OSIRIS-REx της NASA αναμένεται να φέρει πίσω δείγματα από τον αστεροειδή Bennu και ο Glavin και η ομάδα του σχεδιάζουν να αναζητήσουν μερικούς από αυτούς τους τύπους μορίων.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να δοκιμάσουν εάν μεγαλύτερα πεπτίδια ή διαφορετικοί τύποι πεπτιδίων μπορούν να σχηματιστούν σε μοριακά νέφη. Άλλα χημικά και ενεργητικά φωτόνια στο διαστρικό μέσο μπορεί να είναι ικανά να πυροδοτήσουν το σχηματισμό μεγαλύτερων και πιο πολύπλοκων μορίων, είπε ο Krasnokutski. Μέσω του μοναδικού εργαστηριακού τους παραθύρου στα μοριακά σύννεφα, ελπίζουν να δουν τα πεπτίδια να μακραίνουν και να μακρύνουν και μια μέρα να διπλώνουν, όπως το φυσικό origami, σε όμορφες πρωτεΐνες που εκρήγνυνται με δυνατότητες.
