Vand kan være ætsende for livet, så hvad med alternative opløsningsmidler?

Livet på den tidlige jord ser ud til at være begyndt med et paradoks:mens livet har brug for vand som opløsningsmiddel, de væsentlige kemiske rygrader i tidlige livsdannende molekyler falder fra hinanden i vand. Vores universelle opløsningsmiddel, det viser sig, kan være ekstremt ætsende.

Nogle har peget på dette paradoks som et tegn på, at livet, eller livets forløber, opstod andre steder og blev leveret hertil via kometer eller meteoritter. Andre har ledt efter opløsningsmidler, der kunne have de nødvendige kvaliteter af vand uden den bindingsbrydende ætsning.

I de senere år er opløsningsmidlet ofte fremført som det berettigede alternativ til vand formamid, en klar og moderat irriterende væske bestående af brint, kulstof, nitrogen og ilt. I modsætning til vand, det nedbryder ikke de langkædede molekyler, der er nødvendige for at danne de nukleinsyrer og proteiner, der udgør livets vigtigste indledende instruktionsmanual, RNA. I mellemtiden omdannes det også via andre nyttige reaktioner til nøgleforbindelser, der er nødvendige for at lave nukleinsyrer i første omgang.

Selvom formamid er almindeligt i stjernedannende områder i rummet, videnskabsmænd har kæmpet for at finde veje til, at det kan være udbredt, eller endda lokalt koncentreret, på den tidlige Jord. Faktisk, det er næppe til stede på Jorden i dag undtagen som et syntetisk kemikalie for virksomheder.

Ny forskning præsenteret af Zachary Adam, en jordforsker ved Harvard University, og Masashi Aono, en kompleks systemforsker ved Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology, har produceret formamid gennem en overraskende og reproducerbar vej:bombardement med radioaktive partikler.

De to og deres kollegaer udsatte vand og en blanding af to kemikalier, der vides at have eksisteret på jorden (hydrogencyanid og vandig acetonitril) for de højenergipartikler, der udsendes fra en cylinder af cobalt-60, en kunstigt fremstillet radioaktiv isotop, der almindeligvis anvendes i kræftbehandling. Resultatet, de melder, var produktionen af ​​betydelige mængder formamid hurtigere end tidligere forsøg fra forskere ved hjælp af teoretiske modeller og i laboratoriemiljøer.

Det er stadig uklart, om Jorden tidligt havde nok radioaktivt materiale de rigtige steder til at producere de kemiske reaktioner, der førte til dannelsen af ​​formamid. Og selvom forholdene var rigtige, videnskabsmænd kan endnu ikke konkludere, at formamid spillede en vigtig rolle i livets oprindelse.

Stadig, den nye forskning fremmer beviserne for alternative opløsningsmidlers mulige rolle og giver et anderledes billede af livsgrundlaget. Desuden, det tyder på processer, der også kan være i gang på andre exoplaneter - hvor andre opløsningsmidler end vand kunne, med energi leveret af radioaktive kilder, skabe de nødvendige rammer for, at simple forbindelser kan omdannes til langt mere komplekse byggesten.

"Forestil dig, at vandbaseret liv blev forudgået af helt unikke netværk af interagerende molekyler, der tilnærmede sig, men var adskilt fra og fulgte forskellige kemiske regler, end livet, som vi kender det, " sagde Adam.

Deres arbejde blev præsenteret ved nylige møder i International Society for the Study of the Origin of Life, og Astrobiology Science Conference.

Samler det hele

Teamet af Adam og Aono er næppe de første til at fremsætte formamidhypotesen som en løsning på vandparadokset, og de er heller ikke de første til at spille en rolle for højenergi, radioaktive partikler i livets oprindelse.

Et italiensk team ledet af Rafaelle Saladino fra Tuscia University foreslog for nylig formamid som et kemikalie, der ville levere nødvendige elementer til livet og ville undgå 'vandparadokset'. Siden dengang Marie Curie beskrev fænomenet radioaktivitet, videnskabsmænd har foreslået utallige måder, hvorpå emissionen af ​​partikeludskillende atomkerner kunne have spillet roller, enten store eller små, i at indlede liv på Jorden.

At sætte formamid og radioaktivitet sammen, som Adam og Aono har gjort, er et potentielt væsentligt skridt fremad, selvom en der har brug for dybere undersøgelser.

"Hvis vi har formamid som opløsningsmiddel, disse precursor-molekyler kan holdes stabile, en slags vugge til at bevare meget interessante produkter, " sagde Aono, som er flyttet til Tokyo-baserede Keio University, mens han forblev stipendiat ved ELSI.

Forsøget med kobolt-60 begyndte ikke som en søgen efter en måde at koncentrere produktionen af ​​formamid på. Hellere, Adam undersøgte mere generelt virkningerne af gammastråler på en række forskellige molekyler og opløsningsmidler, mens Aono udforskede radioaktive kilder for en rolle i livets oprindelse.

De to kom sammen lidt serendipitalt på ELSI, et oprindelses-of-life-forskningscenter skabt af den japanske regering. ELSI blev designet til at være et sted for videnskabsmænd fra hele verden og fra mange forskellige discipliner til at tackle nogle af de notorisk vanskelige spørgsmål i oprindelsen af ​​livsforskning. Hos ELSI, Adam, som ikke havde været i stand til at sikre steder til at udføre laboratorietests i USA, lærte af Aono om et sparsomt brugt (og gratis) kobolt-60 laboratorium; de begyndte straks at samarbejde.

Det er velkendt, at den tidlige Jord blev bombarderet af højenergiske kosmiske partikler og gammastråler. Så er det faktum, at adskillige elementer (aluminium-26, jern-60, jod-129) har eksisteret som radioaktive isotoper, der kan udsende stråling i minutter til årtusinde, og at disse isotoper var mere almindelige på den tidlige Jord end i dag. Ja, de tre nævnt ovenfor er nu uddøde på Jorden, eller næsten uddød, i deres naturlige former

Mindre kendt er tilstedeværelsen af ​​"naturlige atomreaktorer" som steder, hvor en høj koncentration af uran i nærvær af vand har ført til selvopretholdende nuklear fission. Kun et sådant sted er blevet fundet - i Oklo-regionen i den afrikanske nation Gabon - hvor brugt radioaktivt materiale blev identificeret på 16 forskellige steder. Forskere konkluderede i sidste ende, at udbredte naturlige nukleare reaktioner fandt sted i regionen for omkring 2 milliarder år siden.

Den tidsramme ville betyde, at stedet ville have været aktivt længe efter, at livet var begyndt på Jorden, men det er et potentielt bevis på konceptet for, hvad der kunne have eksisteret andre steder længe før.

Reaktioner på nært hold

Adam og Aono forbliver agnostiske over, hvor de formamidproducerende radioaktive partikler kom fra. Men de er overbevist om, at det er fuldt ud muligt, at sådanne reaktioner fandt sted og hjalp med at skabe et miljø, hvor hver af RNA's rygradsforløbere let kunne findes tæt på hinanden.

Den nuværende videnskabelige tankegang om, hvordan formamid dukkede op på Jorden, fokuserer på begrænset ankomst via asteroidepåvirkninger eller gennem koncentrationen af ​​kemikaliet i fordampede vand-formamidblandinger under ørkenlignende forhold. Adam erkender, at den fremherskende videnskabelige konsensus peger på lave mængder formamid på den tidlige jord.

"Vi forsøger ikke at argumentere for det modsatte, " han sagde, "men vi prøver at sige, at det måske ikke betyder noget."

Hvis du har et unikt sted (eller steder) på Jorden, der skaber betydelige mængder formamid over en længere periode gennem radiolyse, så er der en mulighed for begyndelsen af ​​en unik kemi, der kan understøtte produktionen af ​​essentielle precursorforbindelser for livet, sagde Adam.

"Så, argumentet skifter så til – hvor sandsynligt var det, at dette unikke sted eksisterede? Vi har kun brug for et særligt sted på hele planeten for at opfylde disse omstændigheder, " han sagde.

Efter det, det system, der sættes i gang, ville have evnen til at samle livets kemiske byggesten.

"Det er den mulighed, vi ser frem til at undersøge i de kommende år, " sagde Adam.

James Cleaves, en organisk kemiker også ved ELSI og en medforfatter af cobalt-60 papiret, sagde, mens produktion af formamid fra meget simplere forbindelser repræsenterer fremskridt, "der er ingen sølvkugler i oprindelsen af ​​livsværk. Vi indsamler fakta som disse, og se så, hvor de fører hen."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.