Kaotiske strømme og livets oprindelse

Et forskerhold ved Texas A&M University har afsløret en fysisk mekanisme, der kan hjælpe med at besvare et af de store spørgsmål om livets oprindelse, "Hvordan blev byggestenene til?"

Forskerholdet ledes af Dr. Victor Ugaz, professor og indehaver af Charles D. Holland '53 Professorship og Thaman Professorship i Artie McFerrin Department of Chemical Engineering. Holdet omfatter også Dr. Yassin A. Hassan, professor og indehaver af Sallie &Don Davis '61 professoratet og afdelingsleder for Institut for Nuklear Engineering.

Forskere har længe vidst, at livets byggesten – aminosyrer, nukleobaser og sukkerarter – var til stede i det tidlige hav, men de var meget lave i koncentration. For at livet kan opstå, disse byggesten skulle kombineres og beriges til langkædede makromolekyler. At identificere processen og mekanismen, der driver denne syntese, har været et af de største spørgsmål vedrørende livets oprindelse.

"I det tidlige hav, disse byggesten var til stede i miljøet, " sagde Ugaz. "De var der, men de var så fortyndede; der er et spørgsmål om, hvordan de kombineres. Så et område af interesse er, hvilken slags koncentrationsmekanisme der kunne have eksisteret for at berige disse komponenter til et punkt, hvor de kunne begynde at danne længere kæder, mere komplekse molekyler."

I en artikel, der vises i Proceedings of the National Academy of Sciences af Amerikas Forenede Stater, Texas A&M forskerholdet beskriver en mekanisme, der kan have spillet en stor rolle i at kombinere disse fortyndede kemiske byggesten i de langkædede makromolekyler, der er nødvendige for livet.

Forskerholdet udforskede dette ved at skabe et modelsystem af cylindriske celler, der efterligner strukturen af ​​porer i mineralformationer fundet i nærheden af ​​en nyligt opdaget, ny type undersøisk hydrotermisk udluftning. Temperaturgradienterne i disse ventilationsåbninger fungerer ligesom en almindelig lavalampe, cirkulerende væske i de små porerum. Holdet fandt ud af, at disse strømme er overraskende komplekse og kaotiske - hvilket betyder, at individuelle stier følger et groft generelt mønster, men ingen baner er identiske. Denne opdagelse gjorde det muligt at identificere forhold, hvor disse strømme er i stand til at give bulk homogenisering af de forskellige organiske molekyler, der er til stede i åbningerne, samtidig med at de transporteres til katalytisk aktive poreoverflader, hvor de absorberer og reagerer.

Ifølge Ugaz, der er en nem måde at forestille sig dette fænomen. "Forestil dig, at du rører kaffe, og du putter noget fløde i eller noget, der ville hænge fast på siden af ​​koppen. Når du rører det på en bestemt måde, Der sker faktisk to ting på én gang:du blander hovedparten af ​​væsken, men du får det også til at gå til et bestemt sted på overfladen af ​​koppen."

Disse strømme forekommer naturligt i hydrotermiske porenetværk, hvilket giver en spændende mekanisme til at forklare, hvordan fortyndede organiske prækursorer i det tidlige hav kunne have samlet sig til komplekse biomakromolekyler. Dette har været et af de vigtigste ubesvarede spørgsmål i livets oprindelse på Jorden, og i udenjordiske systemer, hvor lignende hydrotermiske miljøer er blevet opdaget. Ud over dette fund, forskningen er væsentlig på en række andre måder.

Der er en lang række forskellige processer ud over den biotiske og præbiotiske kemi, der kan katalyseres i disse miljøer. Først, disse porøse formationer spiller en stor rolle i omdannelsen af ​​kuldioxid til forskellige carbonater. De nøjagtige mekanismer, der driver denne kuldioxidopsamling, er i øjeblikket ikke godt beskrevet. Imidlertid, resultaterne af denne undersøgelse indikerer, at disse kaotiske strømme muligvis kan hjælpe med at beskrive dette fænomen.

Yderligere, med en bedre forståelse af disse strømme og hvordan de driver reaktioner på en overflade, det er muligt, at de kunne drive en ny type reaktor. Da strømmene er afhængige af varmeforskelle, sådan en reaktor kunne være fuldstændig passiv, udnytte spildvarme til at drive reaktioner.

Denne forskning blev delvist støttet af National Science Foundation.