Fysikere sporer biokemiske reaktioner i Darwins 'varme små damme' – Physics World

Fysikere sporer biokemiske reaktioner i Darwins 'varme små damme' – Physics World

Tidsstempel: 7. august 2023 kl. 12
Kildeknude: 2811185

To nabostillede urinstofmolekyler i en vandig opløsning udveksler protoner
To nabostillede urinstofmolekyler i en vandig opløsning udveksler protoner. (Med høflighed: DESY, Ludger Inhester)

Da livet først dukkede op på Jorden for fire milliarder år siden, kan det have fået sin start i det, som 19-tallets naturforsker Charles Darwin kaldte "varme små damme": vulkansk opvarmede bassiner, der indeholder en suppe af oprindeligt livløse organiske molekyler. I en nylig undersøgelse kastede forskere i Schweiz og Tyskland yderligere lys over dette emne ved at undersøge, hvordan et sådant molekyle, urinstof, reagerer på impulser af ioniserende stråling. Resultaterne af deres arbejde, som brugte ultrahurtig røntgenabsorptionsspektroskopi til at følge kemiske reaktioner i realtid, kunne fremme vores forståelse af livets biokemiske oprindelse.

Når urinstof udsættes for ioniserende stråling, danner det malonsyre. Denne syre reagerer derefter med uioniseret urinstof og danner flere nukleobaser, som er de grundlæggende komponenter i RNA og DNA. Sådanne processer kunne meget vel være opstået, når de "varme små damme" blev udsat for Solens ultraviolette stråling og kan have spillet en rolle i fremkomsten af ​​tidlige livsformer.

To pulser

I deres eksperiment har forskere ledet af Jean Pierre Wolf af University of Geneva , Hans Jakob Wörner at ETH Zürich, Schweiz, påførte en laserimpuls til en højkoncentreret opløsning af urinstof, hvilket fik nogle af urinstofmolekylerne til at miste elektroner og blive ioniseret. Umiddelbart efter sendte de en ultrakort puls af bløde røntgenbilleder. Denne anden impuls afslører, hvordan urinstofmolekylet reagerer på tabet af en elektron.

Forskerne gentog eksperimentet flere gange og varierede tidsintervallet mellem den ioniserende laserimpuls og de bløde røntgenimpulser. Denne teknik, kendt som tidsopløst røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS), bruges rutinemæssigt i det optiske regime til at studere specifikke partikler i materialer, men dette arbejde udvider det til røntgendelen af ​​det elektromagnetiske spektrum.

"Vi ønskede også at genskabe eksperimentelle forhold så tæt som muligt på den 'virkelige verden' og var derfor nødvendige for at udføre vores målinger i væskefasen," forklarer studielederforfatter. Zhong Yin, et tidligere medlem af ETH Zürich-teamet, som nu er kl Tohoku Universitet i Japan. "Til dette udviklede vi et flydende fladt ark med sub-mikron tykkelse, som er påkrævet for artefaktfri XAS på grund af systemets meget korte dæmpningslængde."

Et andet nøgleelement i eksperimentet, tilføjer Yin, er, at deres lyskilde kunne levere ultrakorte pulser over en række energier, der er brede nok til at dække absorptionskanterne af kulstof og nitrogen i urinstofmolekylet. "Det betød, at vi kunne identificere, at absorptionssignalet udelukkende kommer fra urinstof, da flydende vand ikke har kulstof og nitrogen i sig," siger han. Fysik verden.

Femtosekund skala opløsning

Ved hjælp af denne teknik var holdet i stand til at rekonstruere hændelsesforløbet på skalaen af ​​et par femtosekunder (10-15 s), hvilket betyder, at forskerne kunne følge de kemiske reaktioner i realtid og observere, hvordan systemet udvikler sig. Selv med en ny teknik og de rigtige værktøjer var det dog ikke nemt. "At fortolke spektrene viste sig at være særligt udfordrende og krævede detaljerede computersimuleringer, som vi udviklede her hos DESY gennem mange år," forklarer Ludger Inhester, som er teoretisk fysiker i CFEL ved DESY i Hamborg.

Forskerne observerede, at når et urinstofmolekyle ioniseres (det vil sige bliver positivt, når det mister en elektron), skubber det en proton (en brintkerne) over til et nærliggende neutralt, ikke-ioniseret urinstofmolekyle i et forsøg på at miste dette positiv ladning. "Denne femtosekundrate protonoverførsel skaber et urinstofradikal sammen med en positivt ladet urinstofion," siger Inhester. "Begge er kemisk reaktive og kunne have ført til dannelsen af ​​RNA-molekyler - essentielle byggesten i det tidlige liv - for milliarder af år siden."

Det nye eksperiment er det første, der observerer så ekstremt hurtige processer i et molekyle i et vandigt miljø, tilføjer han. Tidligere eksperimenter blev udført i gasfasen, men det er vigtigt at observere adfærden af ​​molekyler suspenderet i vand, især når det kommer til at forstå biologiske processer.

Medlemmer af Hamburg-Geneve-Zürich-teamet vil nu gerne undersøge det indledende trin i ioniseringsdynamikken yderligere. "Sådan et eksperiment vil kræve en endnu højere tidsmæssig opløsning og vil tage noget tid at sætte op," siger Yin. "Jeg er dog positiv over, at vi vil observere noget nyt og spændende, når vi gør dette."

Deres nuværende undersøgelse er detaljeret i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden