تتكون اللبنات الأساسية للحياة في فتحات متكررة في أعماق البحار

الفتحات القلوية الحرارية المائية ، أصل الحياة

ربما لعبت الفتحات الحرارية المائية القلوية دورًا في نشأة الحياة. (رصيد الصورة: NOAA)



كان من الممكن أن تكون الهياكل المعدنية الشبيهة بالمدخنة في قاع البحر قد ساعدت في تكوين جزيئات الحمض النووي الريبي التي أدت إلى نشوء الحياة على الأرض وتبشر بظهور الحياة على الكواكب البعيدة.



يعتقد العلماء أن الأرض ولدت منذ حوالي 4.54 مليار سنة. قد تكون الحياة على الأرض قديمة إلى هذا الحد تقريبًا مع اكتشافات حديثة تشير إلى أن الحياة ربما تكون قد نشأت فقط بعد 440 مليون سنة من تشكل الكوكب .

ومع ذلك ، يظل لغز كيف نشأت الحياة لأول مرة. اللبنات الأساسية للحياة الآن هي الحمض النووي ، الذي يمكنه تخزين البيانات الجينية ، والبروتينات ، والتي تشمل الإنزيمات التي يمكنها توجيه التفاعلات الكيميائية. ومع ذلك ، يتطلب الحمض النووي البروتينات من أجل التكوين ، والبروتينات تحتاج إلى الحمض النووي لتكوينه ، مما يثير مسألة الدجاج والبيض حول كيفية تكوين البروتين والحمض النووي دون بعضهما البعض. [ 7 نظريات حول أصل الحياة ]



لحل هذا اللغز ، اقترح العلماء أن الحياة ربما اعتمدت في المقام الأول على المركبات المعروفة باسم RNA. يمكن لهذه الجزيئات تخزين البيانات الجينية مثل الحمض النووي ، وتعمل كإنزيمات مثل البروتينات ، وتساعد في تكوين كل من الحمض النووي والبروتينات. لاحقًا ، حلَّ الحمض النووي والبروتينات محل هذا ' عالم RNA لأنهم أكثر كفاءة في وظائفهم ، على الرغم من أن الحمض النووي الريبي لا يزال موجودًا ويؤدي أدوارًا حيوية في علم الأحياء.

ومع ذلك ، لا يزال من غير المؤكد كيف نشأ الحمض النووي الريبي من سلائف أبسط في الحساء البدائي الذي كان موجودًا على الأرض قبل نشأة الحياة. مثل الحمض النووي ، فإن الحمض النووي الريبي معقد ومصنوع من سلاسل على شكل حلزوني من جزيئات أصغر تُعرف بالنيوكليوتيدات.

إحدى الطرق التي ربما يكون الحمض النووي الريبي قد تكوَّن فيها لأول مرة هي بمساعدة المعادن ، مثل هيدرات المعادن. يمكن أن تعمل هذه المعادن كمحفزات ، مما يساعد على تكوين مركبات عضوية صغيرة من كتل البناء غير العضوية. تم العثور على هذه المعادن في القلوية الفتحات الحرارية المائية في قاع البحر.



تعتبر الفتحات القلوية الحرارية أيضًا موطنًا لهياكل كبيرة تشبه المدخنة غنية بالحديد والكبريت. اقترحت الدراسات السابقة أن النظراء القدامى لهذه المداخن ربما يكونون قد عزلوا وتركيز الجزيئات العضوية معًا ، مما حفز أصل الحياة على الأرض.

لمعرفة مدى دعم هذه المداخن لتكوين سلاسل من الحمض النووي الريبي ، صنع الباحثون المداخن عن طريق حقن المحاليل التي تحتوي على الحديد والكبريت والسيليكون ببطء في أوعية زجاجية. اعتمادًا على تركيزات المواد الكيميائية المختلفة المستخدمة في نمو هذه الهياكل ، كانت المداخن إما أكوامًا ذات مراكز مجوفة مفردة أو ، في كثير من الأحيان ، أبراج و 'حدائق كيميائية' ذات أنابيب مجوفة متعددة.

هياكل معدنية شبيهة بالمدخنة تم إنشاؤها في المختبر من محاليل تحتوي على الحديد والكبريت والسيليكون تحت أ) تركيزات منخفضة و ب) تركيزات عالية. تمثل الهياكل في أ) تكوينات التلال (يسار) والمغزل (يمين) ، بينما تمثل تلك الموجودة في ب) تكوينات الحديقة الكيميائية.



هياكل معدنية شبيهة بالمدخنة تم إنشاؤها في المختبر من محاليل تحتوي على الحديد والكبريت والسيليكون تحت أ) تركيزات منخفضة و ب) تركيزات عالية. تمثل الهياكل في أ) تكوينات التلال (يسار) والمغزل (يمين) ، بينما تمثل تلك الموجودة في ب) تكوينات الحديقة الكيميائية.(رصيد الصورة: برادلي بوركار وآخرون ، علم الأحياء الفلكي.)

قالت المؤلفة المشاركة في الدراسة ليندا ماكجاون ، عالمة الكيمياء التحليلية وعالمة الأحياء الفلكية ، إن القدرة على إجراء تجاربنا في هياكل المداخن التي بدت وكأنها شيء قد يواجهه المرء في المناطق المظلمة من الأرض الوسطى لتولكين أعطت هذه الدراسات سياقًا جيولوجيًا أثار الخيال. في معهد Rensselaer Polytechnic في تروي ، نيويورك

نمت المداخن في سوائل وغازات تشبه المحيطات والغلاف الجوي للأرض في وقت مبكر. كانت السوائل حمضية ومخصبة بالحديد ، بينما كانت الغازات غنية بالنيتروجين ولا تحتوي على أكسجين. ثم قام العلماء بدس المحاقن في المداخن لضخ المحاليل القلوية التي تحتوي على مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية في محيطات النموذج. هذا السائل المحاكي القديم يتسرب إلى البحار البدائية.

أضاف الباحثون أحيانًا طين المونتموريلونيت إلى أوانيهم الزجاجية. قال مكجاون إن الطين ينتج عن التفاعلات بين الماء والصخور ، ومن المحتمل أن يكون شائعًا في بدايات الأرض.

يُعرف نوع النيوكليوتيدات التي يتكون منها الحمض النووي الريبي باسم الريبونوكليوتيدات ، لأنها مصنوعة من سكر الريبوز. وجد العلماء أن الريبونوكليوتيدات غير المعدلة يمكن أن تشكل سلاسل من نيوكليوتيدات. بالإضافة إلى ذلك ، 'تنشط' ريبونوكليوتيدات بمركب يعرف باسم إيميدازول - وهو جزيء تم إنشاؤه أثناء التفاعلات الكيميائية التي تصنع النيوكليوتيدات - يمكن أن يشكل سلاسل RNA أو بوليمرات يصل طولها إلى أربعة ريبونوكليوتيدات. [ 10 كواكب خارجية يمكن أن تستضيف حياة غريبة ]

قال ماكجاون: 'من أجل مراقبة بلمرة الحمض النووي الريبي المهمة على النطاق الزمني للتجارب المعملية ، من الضروري بشكل عام تنشيط النيوكليوتيدات'. يشيع استخدام الإيميدازول لتنشيط النوكليوتيدات في هذه الأنواع من التجارب.

وجد العلماء أن التركيب الكيميائي للمداخن لم يكن مهمًا فقط عندما يتعلق الأمر بذلك تشكيل الحمض النووي الريبي ، لكن الهيكل المادي للمداخن كان مفتاحًا أيضًا. عندما مزج الباحثون محاليل الحديد والكبريت والسيليكون في محيطاتهم المحاكاة ، بدلاً من حقنهم ببطء في مياه البحر لتكوين مداخن ، فإن المزيج الناتج لا يمكن أن يؤدي إلى تكوين الحمض النووي الريبي.

قال ماكجاون: 'المداخن ، وليس مكوناتها فقط ، هي المسؤولة عن البلمرة'.

تظهر هذه التجارب لأول مرة أن الحمض النووي الريبي يمكن أن يتشكل في مداخن قلوية مائية حرارية ، وإن كانت اصطناعية.

قال ماكجاون: 'كان هدفنا منذ بداية بحثنا حول بلمرة الحمض النووي الريبي هو وضع تجارب بلمرة الحمض النووي الريبي في أقرب مكان ممكن في سياق بيئات الأرض المبكرة على الأرجح'. ركزت معظم أبحاث بلمرة الحمض النووي الريبي السابقة على البيئات السطحية ، ويمكن أن ينتج عن استكشاف الفتحات الحرارية المائية في أعماق المحيط إمكانيات جديدة ومثيرة لظهور عالم الحمض النووي الريبي.

أحد المخاوف بشأن هذه النتائج هو أن التجارب أجريت في درجة حرارة الغرفة. تكون الفتحات الحرارية المائية أكثر سخونة ، ويمكن أن تؤدي درجات الحرارة هذه إلى تدمير الحمض النووي الريبي. [ فيديو: البحث عن أرض أخرى ]

قال ماكجاون: 'ضع في اعتبارك ، مع ذلك ، أن الفتحات الحرارية المائية هي أنظمة ديناميكية ذات تدرجات للظروف الكيميائية والفيزيائية ، بما في ذلك درجة الحرارة'.

من حيث المبدأ ، قد تكون الأقسام الأكثر برودة من الفتحات الحرارية المائية قد غذت الحمض النووي الريبي (RNA) وجزيئاته الأولية ، على حد قولها.

في المستقبل ، ستجري ماكجاون وزملاؤها تجارب للتحقيق في تأثيرات المتغيرات مثل الضغط ودرجة الحرارة وعلم المعادن على تكوين جزيئات الحمض النووي الريبي ، مع التركيز بشكل أساسي على الظروف التي تحاكي بيئات أعماق المحيطات على كوكب الأرض المبكر وتلك التي قد يكون لها أيضًا قال ماكجاون: `` كانت موجودة على كوكب المريخ وأماكن أخرى.

شرح العلماء بالتفصيل النتائج التي توصلوا إليها في عدد 22 يوليو من المجلةعلم الأحياء الفلكي.

تم توفير هذه القصة من قبل مجلة علم الأحياء الفلكي ، وهو منشور على شبكة الإنترنت برعاية وكالة ناسا برنامج علم الأحياء الفلكي . يتبع موقع demokratija.eu تضمين التغريدة و موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك و + Google .