Livets oprindelse:Betydningen af ​​grænseflader

Små gasfyldte bobler i den porøse sten, der findes omkring varme kilder, menes at have spillet en vigtig rolle i livets oprindelse. Temperaturforskelle ved grænsefladen mellem flydende faser kunne derfor have initieret præbiotisk kemisk udvikling.

Et væld af fysisk-kemiske processer må have skabt de betingelser, der gjorde det muligt for levende systemer at opstå på den tidlige Jord. Med andre ord, den biologiske evolutions æra må være gået forud af en - formentlig langvarig - fase af 'præbiotisk' kemisk evolution, hvorunder de første informationsmolekyler, der var i stand til at replikere sig selv, blev samlet og udvalgt. Dette scenarie rejser straks et andet spørgsmål:Under hvilke miljøforhold kunne præbiotisk udvikling have fundet sted? En mulig indstilling har længe været diskuteret og udforsket - små porer i vulkanske klipper. Et internationalt team af forskere ledet af Dieter Braun (professor i systembiofysik ved Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München) har nu set nærmere på vand-luft-grænsefladerne i disse porer. De dannes spontant ved gasfyldte bobler og viser en interessant kombination af effekter.

De fandt ud af, at de kunne have spillet en vigtig rolle i at lette de fysisk-kemiske interaktioner, der bidrog til livets oprindelse. Specifikt, Braun og hans kolleger spurgte, om sådanne grænseflader kunne have stimuleret den slags kemiske reaktioner, der udløste de indledende stadier af præbiotisk kemisk evolution. Deres resultater vises i det førende tidsskrift Naturkemi .

Undersøgelsen understøtter kraftigt forestillingen om, at små gasfyldte bobler, der var fanget i, og reagerede med, overfladerne af porer i vulkanske bjergarter kunne faktisk have fremskyndet dannelsen af ​​de kemiske netværk, der i sidste ende gav anledning til de første celler. Dermed, forfatterne var i stand til eksperimentelt at verificere og karakterisere de faciliterende virkninger af luft-vand-grænseflader på de relevante kemiske reaktioner. Hvis der er en forskel i temperatur langs overfladen af ​​en sådan boble, vand vil have tendens til at fordampe på den varmere side og kondensere på den køligere side, ligesom en regndråbe, der lander på et vindue, løber ned ad den flade overflade af glasset og til sidst fordamper. "I princippet, denne proces kan gentages i det uendelige, da vandet kontinuerligt kredser mellem gas- og væskefasen, " siger Braun, hvem har karakteriseret mekanismen og de underliggende fysiske processer i detaljer, sammen med sin ph.d.-studerende Matthias Morasch og andre medlemmer af hans forskningsgruppe. Resultatet af dette cykliske fænomen er, at molekyler akkumuleres til meget høje koncentrationer på den varmere side af boblen.

"Vi startede med at lave en række målinger af reaktionshastigheder under forskellige forhold, for at karakterisere arten af ​​den underliggende mekanisme, " siger Morasch. Fænomenet viste sig at være overraskende effekt og robust. Selv små molekyler kunne koncentreres til høje niveauer. "Vi testede derefter en lang række fysiske og kemiske processer, som må have spillet en central rolle i livets oprindelse - og dem alle blev markant accelereret eller overhovedet gjort mulige under de betingelser, der herskede ved luft-vand-grænsefladen." Undersøgelsen nød godt af interaktioner mellem Brauns gruppe af biofysikere og specialisterne i discipliner som kemi og geologi, der arbejder sammen med ham i Collaborative Research Center (SFB/TRR) om livets oprindelse (som er finansieret af DFG), og fra samarbejder med medlemmer af internationale teams.

For eksempel, LMU-forskerne viser, at fysisk-kemiske processer, der fremmer dannelsen af ​​polymerer, enten stimuleres - eller i første omgang gøres mulige - af tilgængeligheden af ​​en grænseflade mellem det vandige miljø og gasfasen, hvilket markant øger hastigheden af ​​kemiske reaktioner og katalytiske mekanismer. Faktisk, i sådanne forsøg, molekyler kunne akkumuleres til høje koncentrationer i lipidmembraner, når forskerne tilføjede de passende kemiske bestanddele. "The vesicles produced in this way are not perfect. But the finding nevertheless suggests how the first rudimentary protocells and their outer membranes might have been formed, " says Morasch.

Whether or not this sort of process can take place in such vesicles "does not depend on the nature of the gas within the bubble. What is important is that, owing to differences in temperature, the water can evaporate in one location and condense in another, " Braun explains. In earlier work, his group has already described a different mechanism by which temperature differences in water bodies can serve to concentrate molecules. "Our explanatory model enables both effects to be combined, which would enhance the concentrating effect and thus increase the efficiency of prebiotic processes, " tilføjer han.