Sulfitter og bisulfitter i lavvandede søer kan have sat scenen for Jordens første biologiske molekyler

For omkring 4 milliarder år siden, Jorden var et ugæstfrit sted, blottet for ilt, sprængt af vulkanudbrud, og bombarderet af asteroider, uden tegn på liv i selv de enkleste former. Men et sted midt i denne kaotiske periode, Jordens kemi blev til livets fordel, giver anledning, dog usandsynligt, til planetens allerførste organismer.

Hvad fik dette kritiske vendepunkt? Hvordan samledes levende organismer i sådan en flygtig verden? Og hvad var de kemiske reaktioner, der bryggede de første aminosyrer, proteiner, og andre byggesten i livet? Dette er nogle af de spørgsmål, forskere har gået over i årtier i forsøget på at samle livets oprindelse på Jorden.

Nu har planetforskere fra MIT og Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics identificeret vigtige ingredienser, der var til stede i store koncentrationer lige omkring det tidspunkt, hvor de første organismer dukkede op på Jorden.

Forskerne fandt ud af, at en klasse af molekyler kaldet sulfidiske anioner kan have været rigelige i Jordens søer og floder. De beregner det, for omkring 3,9 milliarder år siden, udbrud af vulkaner udsendte enorme mængder svovldioxid til atmosfæren, som til sidst bosatte sig og opløstes i vand som sulfidiske anioner - specifikt sulfitter og bisulfitter. Disse molekyler havde sandsynligvis en chance for at akkumulere i lavt vand såsom søer og floder.

"I lavvandede søer, vi fandt ud af, at disse molekyler ville have været en uundgåelig del af miljøet, "siger Sukrit Ranjan, en postdoc i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Om de var en integreret del af livets oprindelse, er noget, vi forsøger at finde ud af."

Foreløbigt arbejde af Ranjan og hans samarbejdspartnere tyder på, at sulfidiske anioner ville have fremskyndet de kemiske reaktioner, der kræves for at omdanne meget simple præbiotiske molekyler til RNA, en genetisk byggesten i livet.

"Inden dette arbejde, mennesker anede ikke, hvilke niveauer af sulfidiske anioner der var til stede i naturlige farvande på den tidlige jord; nu ved vi, hvad de var, "Dette siger Ranjan." Dette ændrer grundlæggende vores viden om den tidlige jord og har haft en direkte indvirkning på laboratorieundersøgelser af livets oprindelse. "

Ranjan og hans kolleger offentliggjorde deres resultater i dag i tidsskriftet Astrobiologi .

Indstilling af tidlige Jordens scene

I 2015, kemikere fra Cambridge University, ledet af John Sutherland, hvem er medforfatter på den aktuelle undersøgelse, opdaget en måde at syntetisere forstadierne til RNA ved kun at bruge hydrogencyanid, svovlbrinte, og ultraviolet lys - alle ingredienser, der menes at have været tilgængelige på den tidlige jord, før udseendet af de første livsformer.

Ud fra et kemisk synspunkt, forskernes sag var overbevisende:De kemiske reaktioner, de udførte i laboratoriet, overvandt mangeårige kemiske udfordringer, med succes at give de genetiske byggesten til live. Men set fra planetarisk videnskab, det var uklart, om sådanne ingredienser ville have været tilstrækkelig rigelige til at springe de første levende organismer i gang.

For eksempel, kometer kan have været nødt til at regne ned kontinuerligt for at bringe nok hydrogencyanid til jordens overflade. I mellemtiden, svovlbrinte, som ville have været frigivet i enorme mængder ved vulkanudbrud, ville for det meste have holdt sig i atmosfæren, da molekylet er relativt uopløseligt i vand, og derfor ikke ville have haft regelmæssige muligheder for at interagere med hydrogencyanid.

I stedet for at nærme sig livets oprindelse fra et kemisk perspektiv, Ranjan så på det fra et planetarisk perspektiv, forsøger at identificere de faktiske forhold, der kunne have eksisteret på den tidlige jord, omkring det tidspunkt, hvor de første organismer dukkede op.

"Livets oprindelse har traditionelt været ledet af kemikere, som forsøger at finde ud af kemiske veje og se, hvordan naturen kunne have fungeret for at give os livets oprindelse, "Siger Ranjan." Det gør de virkelig godt. Hvad de ikke gør så detaljeret er, de spørger ikke, hvordan var forholdene på den tidlige jord før livet? Kunne de scenarier, de påberåber sig, faktisk være sket? De ved ikke så meget, hvad scenen var. "

At skrue op for ingredienserne for livet

I august 2016, Ranjan holdt en tale på Cambridge University om vulkanisme på Mars og de typer af gasser, der ville have været udsendt ved sådanne udbrud i den røde planets iltfri atmosfære. Kemikere ved talen indså, at de samme generelle forhold ville have været opstået på Jorden før livets start.

"De tog væk fra den [snak], at på den tidlige jord, du har ikke meget ilt, men du har svovldioxid fra vulkanisme, "Ranjan husker." Som en konsekvens, du skal have sulfitter. Og de sagde:'Kan du fortælle os, hvor meget af dette molekyle der ville have været?' Og det har vi sat os for at begrænse. "

For at gøre det, han startede med en vulkanismodel udviklet tidligere af Sara Seager, MIT's klasse fra 1941 professor i planetariske videnskaber, og hendes tidligere kandidatstuderende Renyu Hu.

"De lavede en undersøgelse, hvor de spurgte, 'Antag, at du tager Jorden og bare skruer op for mængden af ​​vulkanisme på den. Hvilke koncentrationer af gasser får du i atmosfæren? «, Siger Ranjan.

Han konsulterede den geologiske rekord for at bestemme mængden af ​​vulkanisme, der sandsynligvis fandt sted for omkring 3,9 milliarder år siden, omkring den tid, de første livsformer menes at have vist sig, så slog de typer og koncentrationer af gasser op, som denne mængde vulkanisme ville have frembragt ifølge Seager og Hu's beregninger.

Næste, han skrev en simpel vandig geokemimodel for at beregne, hvor meget af disse gasser, der ville være blevet opløst i lavvandede søer og reservoirer-miljøer, der ville have været mere befordrende for at koncentrere livsdannende reaktioner, mod store oceaner, hvor molekyler let kunne forsvinde.

Interessant nok, han konsulterede litteraturen i et temmelig uventet emne, mens han foretog disse beregninger:vinfremstilling - en videnskab, der involverer, delvis, opløsning af svovldioxid i vand for at producere sulfitter og bisulfitter under iltfrie forhold, der ligner dem på tidlig jord.

"Da vi arbejdede på dette papir, mange af de konstanter og data, vi trak ud, var fra vinkemikalietidsskrifterne, fordi det er her, vi har anoksiske miljøer her på moderne jord, "Ranjan siger." Så vi tog aspekter af vinkemi og spurgte:'Antag, at vi har x mængde svovldioxid. Hvor meget af det opløses i vand, og hvad bliver det så til? '"

Fællesskabets cross-talk

Ultimativt, det fandt han ud af, mens vulkanudbrud ville have spydt enorme mængder af både svovldioxid og hydrogensulfid ind i atmosfæren, det var førstnævnte, der opløstes lettere i lavt vand, producerer store koncentrationer af sulfidiske anioner, i form af sulfitter og bisulfitter.

"Under større vulkanudbrud, du har måske haft op til millimolære niveauer af disse forbindelser, som handler om koncentrationer af laboratorier på disse molekyler, i søerne, "Siger Ranjan." Det er et titanisk beløb. "

De nye resultater peger på sulfitter og bisulfitter som en ny klasse af molekyler - dem der faktisk var tilgængelige på den tidlige jord - som kemikere nu kan teste i laboratoriet, for at se, om de fra disse molekyler kan syntetisere forstadierne for livet.

Tidlige eksperimenter ledet af Ranjans kolleger tyder på, at sulfitter og bisulfitter faktisk kan have opmuntret til at danne biomolekyler. Teamet udførte kemiske reaktioner for at syntetisere ribonukleotider med sulfitter og bisulfitter, kontra med hydrosulfid, og fandt førstnævnte i stand til at producere ribonukleotider og beslægtede molekyler 10 gange hurtigere end sidstnævnte, og ved højere udbytter. Mere arbejde er nødvendigt for at bekræfte, om sulfidiske anioner virkelig var tidlige ingredienser i brygningen af ​​de første livsformer, men der er nu lidt tvivl om, at disse molekyler var en del af det præbiotiske miljø.

For nu, Ranjan siger, at resultaterne åbner nye muligheder for samarbejde.

"Dette demonstrerer et behov for, at mennesker i planetarisk videnskabssamfund og livsstilsfællesskab taler med hinanden, "Ranjan siger." Det er et eksempel på, hvordan krydsbestøvning mellem discipliner virkelig kan give enkel, men robust og vigtig indsigt. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.