Οι φυσικοί παρακολουθούν τις βιοχημικές αντιδράσεις στις «θερμές μικρές λίμνες» του Δαρβίνου – Physics World

Όταν η ζωή εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη Γη πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια, μπορεί να ξεκίνησε σε αυτό που ο φυσιοδίφης του 19ου αιώνα Κάρολος Δαρβίνος ονόμασε «ζεστές μικρές λίμνες»: ηφαιστειακά θερμαινόμενες πισίνες που περιέχουν μια σούπα από αρχικά άψυχα οργανικά μόρια. Σε μια πρόσφατη μελέτη, ερευνητές στην Ελβετία και τη Γερμανία έριξαν περαιτέρω φως σε αυτό το θέμα εξετάζοντας πώς ένα τέτοιο μόριο, η ουρία, ανταποκρίνεται σε παλμούς ιονίζουσας ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα της δουλειάς τους, η οποία χρησιμοποίησε υπερταχεία φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ για να παρακολουθήσει τις χημικές αντιδράσεις σε πραγματικό χρόνο, θα μπορούσε να προωθήσει την κατανόησή μας για τη βιοχημική προέλευση της ζωής.

Όταν η ουρία εκτίθεται σε ιονίζουσα ακτινοβολία, σχηματίζει μηλονικό οξύ. Αυτό το οξύ στη συνέχεια αντιδρά με μη ιονισμένη ουρία για να σχηματίσει αρκετές νουκλεοβάσεις, οι οποίες είναι τα θεμελιώδη συστατικά του RNA και του DNA. Τέτοιες διεργασίες θα μπορούσαν κάλλιστα να έχουν συμβεί όταν οι «θερμές μικρές λίμνες» εκτέθηκαν στην υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου και μπορεί να έπαιξαν ρόλο στην εμφάνιση πρώιμων μορφών ζωής.

Δύο παλμοί

Στο πείραμά τους, οι ερευνητές με επικεφαλής Jean Pierre Wolf του Πανεπιστήμιο της Γενεύης και Hans Jakob Wörner at ETH Ζυρίχη, Ελβετία, εφάρμοσε έναν παλμό λέιζερ σε ένα εξαιρετικά συμπυκνωμένο διάλυμα ουρίας, προκαλώντας ορισμένα από τα μόρια της ουρίας να χάσουν ηλεκτρόνια και να ιονιστούν. Αμέσως μετά, έστειλαν έναν εξαιρετικά σύντομο παλμό μαλακών ακτίνων Χ. Αυτός ο δεύτερος παλμός αποκαλύπτει πώς το μόριο της ουρίας ανταποκρίνεται στην απώλεια ενός ηλεκτρονίου.

Οι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα αρκετές φορές, διαφοροποιώντας το χρονικό διάστημα μεταξύ του παλμού λέιζερ ιονισμού και των παλμών μαλακών ακτίνων Χ. Αυτή η τεχνική, γνωστή ως φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ με χρονική ανάλυση (XAS), χρησιμοποιείται συνήθως στο οπτικό καθεστώς για τη μελέτη συγκεκριμένων σωματιδίων μέσα στα υλικά, αλλά αυτή η εργασία την επεκτείνει στο τμήμα ακτίνων Χ του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

«Θέλαμε επίσης να αναδημιουργήσουμε πειραματικές συνθήκες όσο το δυνατόν πιο κοντά στον «πραγματικό κόσμο» και έτσι χρειαζόμασταν να κάνουμε τις μετρήσεις μας στην υγρή φάση», εξηγεί ο επικεφαλής της μελέτης. Ζονγκ Γιν, πρώην μέλος της ομάδας ETH Ζυρίχης που βρίσκεται τώρα στο Πανεπιστήμιο Tohoku στην Ιαπωνία. «Για αυτό, αναπτύξαμε ένα υγρό επίπεδο φύλλο με πάχος κάτω του μικρού, το οποίο απαιτείται για XAS χωρίς τεχνουργήματα λόγω του πολύ μικρού μήκους εξασθένησης του συστήματος».

Ένα άλλο βασικό στοιχείο στο πείραμα, προσθέτει ο Γιν, είναι ότι η πηγή φωτός τους θα μπορούσε να παρέχει εξαιρετικά βραχείς παλμούς σε μια σειρά ενεργειών αρκετά ευρεία ώστε να καλύπτουν τα άκρα απορρόφησης άνθρακα και αζώτου στο μόριο της ουρίας. «Αυτό σήμαινε ότι μπορούσαμε να αναγνωρίσουμε ότι το σήμα απορρόφησης προέρχεται αποκλειστικά από ουρία, καθώς το υγρό νερό δεν περιέχει άνθρακα και άζωτο», λέει. Κόσμος Φυσικής.

Ανάλυση κλίμακας femtosecond

Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, η ομάδα μπόρεσε να ανακατασκευάσει την αλληλουχία των γεγονότων στην κλίμακα μερικών femtoseconds (10^-15 s), που σημαίνει ότι οι ερευνητές θα μπορούσαν να παρακολουθήσουν τις χημικές αντιδράσεις σε πραγματικό χρόνο και να παρατηρήσουν πώς εξελίσσεται το σύστημα. Ακόμα και με μια νέα τεχνική και τα κατάλληλα εργαλεία, ωστόσο, δεν ήταν εύκολο. «Η ερμηνεία των φασμάτων αποδείχθηκε ιδιαίτερα δύσκολη και απαιτούσε λεπτομερείς προσομοιώσεις υπολογιστή που αναπτύξαμε εδώ στο DESY για πολλά χρόνια», εξηγεί ο Ludger Inhester, ο οποίος είναι θεωρητικός φυσικός στο CFEL στο DESY στο Αμβούργο.

Φωτεινός πρωτοαστέρας ρίχνει φως στην προέλευση του νερού της Γης

Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι όταν ένα μόριο ουρίας ιονίζεται (δηλαδή γίνεται θετικό καθώς χάνει ένα ηλεκτρόνιο), σπρώχνει ένα πρωτόνιο (πυρήνα υδρογόνου) σε ένα κοντινό ουδέτερο, μη ιονισμένο μόριο ουρίας σε μια προσπάθεια να το χάσει αυτό. θετικό φορτίο. «Αυτή η μεταφορά πρωτονίων με ρυθμό femtosecond δημιουργεί μια ρίζα ουρίας μαζί με ένα θετικά φορτισμένο ιόν ουρίας», λέει ο Inhester. "Και τα δύο είναι χημικά αντιδραστικά και θα μπορούσαν να έχουν οδηγήσει στο σχηματισμό μορίων RNA - βασικά δομικά στοιχεία της πρώιμης ζωής - πριν από δισεκατομμύρια χρόνια."

Το νέο πείραμα είναι το πρώτο που παρατηρεί τόσο εξαιρετικά γρήγορες διεργασίες σε ένα μόριο σε υδατικό περιβάλλον, προσθέτει. Προηγούμενα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στην αέρια φάση, αλλά η παρατήρηση της συμπεριφοράς των μορίων που αιωρούνται στο νερό είναι σημαντική, ειδικά όταν πρόκειται για την κατανόηση βιολογικών διεργασιών.

Τα μέλη της ομάδας Αμβούργου-Γενεύης-Ζυρίχης θα ήθελαν τώρα να διερευνήσουν περαιτέρω το αρχικό βήμα της δυναμικής του ιονισμού. "Ένα τέτοιο πείραμα θα απαιτήσει ακόμη υψηλότερη χρονική ανάλυση και θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να ρυθμιστεί", λέει ο Yin. «Είμαι θετικός, ωστόσο, ότι θα παρατηρήσουμε κάτι νέο και συναρπαστικό όταν το κάνουμε αυτό».

Η παρούσα μελέτη τους περιγράφεται αναλυτικά στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/physicists-track-biochemical-reactions-in-darwins-warm-little-ponds/