Eksperimenter tester, hvor let livet selv kan være

På en laboratoriebordplade, en håndfuld hætteglas tapet til en rocker, svajer blidt frem og tilbage. Inde i hætteglassene, en blanding af organiske kemikalier og bittesmå partikler af fjolseguld stiller et spørgsmål, der tilsyneladende er hinsides deres ydmyge udseende:Hvor kom livet fra?

Kombination af teori med eksperiment, University of Wisconsin-Madison forskere forsøger at forstå, hvordan liv kan opstå fra ikke-liv. Forskere ved UW-Madison Wisconsin Institute for Discovery udfører eksperimenter for at teste ideen om, at naturtro kemiske reaktioner kan udvikle sig let under de rigtige forhold. Værket omhandler nogle af de dybeste mysterier i biologi, og har konsekvenser for at forstå, hvordan almindeligt liv kan være i universet.

David Baum, formand og professor i botanik ved UW-Madison og Discovery Fellow ved WID, mener, at det tidligste liv måske har været afhængig af et primitivt stofskifte, der oprindeligt startede på mineralske overflader. Mange centrale reaktioner i moderne celler er afhængige af jern-svovl-katalysatorer. Denne afhængighed af jern og svovl kunne være en rekord stemplet ind i cellerne i de miljøer, hvor selve metabolismen først udviklede sig. Baum tester denne idé ved at henvende sig til jernpyrit, et mineral af jern og svovl bedre kendt som dårens guld.

Sammen med Mike Berg, en kandidatstuderende, der undersøger livets oprindelse, Baum blander mikroskopiske perler af jernpyrit med en kilde til kemisk energi og simple molekylære byggesten. Mens hætteglas med denne blanding vipper frem og tilbage i laboratoriet, små grupper af kemikalier bundet til mineraloverfladen kan aggregeres og begynde at hjælpe hinanden med at producere flere kemikalier. Hvis så, de spredes sandsynligvis til andre jernpyritperler, kolonisering af nye overflader.

Når Berg overfører nogle perler til et frisk hætteglas, de kemiske grupper kunne fortsætte med at sprede sig. Generation efter generation, hætteglas efter hætteglas, de mest effektive og konkurrencedygtige kemiske blandinger ville kolonisere den mest jernpyrit. Dette er valg. Ligesom naturlig udvælgelse, som har skabt mangfoldigheden og kompleksiteten af ​​livet på Jorden, udvælgelse til koloniseringsevnen for disse kemiske grupper kan afsløre naturtro kemiske cyklusser, der er i stand til at ændre sig over tid.

"Den opfattelse, jeg er kommet til, er, at naturtro kemi kan dukke op relativt let hos mange, mange geologiske indstillinger, " siger Baum. "Så ændrer problemet sig. Det er ikke længere et problem med 'vil det ske, "men hvordan ved vi, at det skete?"

De har gennemgået mere end 30 generationer hidtil, og leder efter ethvert tegn på forandring over tid, om det er varmegenerering, energiforbrug eller mængden af ​​materiale bundet til perlerne.

Baum og UW-Madison mikrobiolog og WID systembiolog Kalin Vetsigian offentliggjorde et papir sidste år, der skitserede eksperimenterne, som til dels bygger på princippet om kvartervalg. Normalt, naturlig selektion opererer på en population af individer. Men forskerne foreslog, at selvom der ikke findes nogen veldefinerede individer i de kemiske blandinger, de molekylære samfund, der er bedst til at kolonisere nye overflader, vil sejre, og sandsynligvis blive bedre med tiden. Succesfulde træk i samfundet som helhed kan vælges til og videregives.

"Denne udvælgelse på fællesskabsplan kunne have fundet sted, før der var personer med træk, der var både arvelige og variable, "siger Vetsigian." Hvis du har gode fællesskaber, de vil blive ved. "

Projektet modtog for nylig $ 2,5 millioner i finansiering fra NASA. Baum er den ledende efterforsker af forskningen, som omfatter Vetsigian, UW - Madison -kemiker Tehshik Yoon, og samarbejdspartnere fra syv andre institutioner.

Celler har brug for den slags metaboliske reaktioner, som Baum studerer, for at producere energi og komponenterne i mere komplekse molekyler. De har også brug for en måde at opbevare information på. Alle levende celler videregiver deres genetiske oplysninger med DNA. Men UW-Madison professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab og WID-systembiolog John Yin udforsker alternative måder at lagre og behandle information med enklere molekyler i et forsøg på at forstå, hvordan informationslagring kan udvikle sig uden celler eller DNA.

Tager udgangspunkt i datalogi, Yin arbejder med den mest grundlæggende metode til kodning af oplysninger, binær. I stedet for elektroniske bits, hans ener og nuller er de to enkleste aminosyrer, glycin og alanin. Ved at bruge en unik form for kemi, Yin udtørrer blandinger af aminosyrerne for at tilskynde dem til at slutte sig sammen.

"Vi ser reproducerbart forskellige strenge af alanin og glycin under forskellige slags forhold, " forklarer Yin. "Så det er et første hint om, at produktet på nogle måder er en måde at repræsentere et bestemt miljø på."

Yins gruppe arbejder på den teknisk udfordrende opgave at læse disse sekvenser af aminosyrer, så de kan holde styr på den molekylære information. Yin -laboratoriet håber til sidst at opdage grupper af kemikalier, der kan bygge ud af denne molekylære information for at reproducere sig selv. For både Baum og Yin, valgbare systemer kræver, at disse cyklusser af kemikalier kan skabe mere af hinanden, hvad Yin kalder "at lukke løkken."

Det vil sandsynligvis være svært at lukke sløjfen i laboratoriet. Kun eksperimentering vil med sikkerhed sige det.

Yin, Baum og Vetsigian er ikke kun interesserede i, hvordan livet på Jorden startede, men hvordan det kunne komme i gang – hvor som helst. Hvis naturtro kemiske reaktioner og molekylær information let produceres i laboratoriet, det kunne ændre beregningen af, hvor almindeligt liv kan være på andre verdener.

"Hvis vi finder mange forskellige kemikalier, der understøtter naturtro reaktioner, vi kan forvente mere oprindelse af liv andre steder i universet, siger Baum.