Afskyet af videnskabsmænd, elsket af naturen:Svovl og livets oprindelse

Mange kunstnere har forsøgt at skildre, hvordan Jorden kunne have set ud for milliarder af år siden, før livet dukkede op. Mange scener bytter snedækkede bjerge ud med lava-sprudende vulkaner og blå himmel med lyn fra en diset himmel.

Men hvordan så den tidlige Jord egentlig ud? Dette spørgsmål har været genstand for intens videnskabelig forskning i årtier.

En publikation ledet af Sukrit Ranjan, en assisterende professor ved University of Arizona's Lunar and Planetary Laboratory, sætter fokus på svovl, et kemisk grundstof, der - selvom det er velkendt - har vist sig overraskende modstandsdygtigt over for videnskabelige bestræbelser på at undersøge dets rolle i livets oprindelse .

Artiklen er publiceret i tidsskriftet AGU Advances .

"Vores billede af den tidlige Jord er ret sløret," sagde Ranjan, der udforsker svovlkoncentrationer i tidlige Jordens farvande og atmosfære. De samme processer, der gør vores planet beboelig - flydende vand og pladetektonik - ødelægger konstant de klipper, der holder Jordens geologiske rekord, hævder han. "Det er fantastisk for os, fordi det genbruger næringsstoffer, der ellers ville være låst inde i jordskorpen, men det er forfærdeligt for geologer i den forstand, at det fjerner budbringerne."

Ranjans papir blev udvalgt som en redaktørs højdepunkt i erkendelse af "eksperimenter, der var ekstremt vanskelige at udføre, men som giver begrænsninger for igangværende laboratorieeksperimenter med præbiotiske kemi."

Kernen i bestræbelserne på at trække gardinet tilbage for fremkomsten af ​​liv på Jorden har været et koncept kendt som "RNA-verdenen," sagde Ranjan med henvisning til ribonukleinsyre, en klasse af molekyler, der er til stede i alle levende celler og afgørende til livet, som vi kender det.

RNA-verdenshypotesen er baseret på et interessant træk ved moderne biologi, som er, at af de fire hovedkategorier af biomolekyler – aminosyrer, kulhydrater, lipider og nukleinsyrer – er RNA det eneste, der kan udføre rollen som et enzym og opbevaring og replikering af genetisk information, ved at lave kopier af sig selv, helt af sig selv. Der er bare et problem:Det er virkelig svært at lave.

"I omkring 50 år har folk forsøgt at finde ud af, hvordan man laver RNA uden enzymer, og det er sådan, biologi gør det," sagde Ranjan og forklarede, at det først var de sidste fem år, at forskere fandt ud af ikke-enzymatiske veje til lave RNA.

"Hvis vi kan få RNA, så ser vi i den fjerne horisont en vej til at få alt andet i gang," sagde han. "Og dette rejser spørgsmålet:Var dette molekyle faktisk tilgængelig tidligere i nogen som helst mængder? Og dette er faktisk et stort åbent spørgsmål."

For nylig har forskere afsluttet et halvt århundredes søgen efter at lave RNA-molekyler uden biologiske enzymer, et stort skridt fremad til at demonstrere RNA-verdenen. Imidlertid er disse kemiske veje alle afhængige af et kritisk svovlmolekyle, kaldet sulfit.

Ved at studere stenprøver fra nogle af Jordens ældste sten ved forskerne, at der var masser af svovl at gå rundt på den tidlige, præbiotiske Jord. Men hvor meget af det var der i atmosfæren? Hvor meget af det endte i vandet? Og hvor meget af det endte som RNA-producerende sulfit? Det er de spørgsmål, Ranjan og hans team satte sig for at besvare.

"Når den først er i vandet, hvad sker der så med den? Holder den sig længe, ​​eller går den hurtigt væk?" han sagde. "For den moderne jord kender vi svaret - sulfit elsker at oxidere eller reagere med ilt, så det forsvinder superhurtigt."

Derimod, som geologiske beviser indikerer, var der meget lidt ilt i jordens tidlige atmosfære, hvilket kunne have tilladt sulfit at akkumulere og vare meget længere. Men selv i fravær af ilt er sulfit meget reaktivt, og mange reaktioner kunne have fjernet det fra det tidlige jordmiljø.

En sådan reaktion er kendt som disproportionering, en proces, hvorved adskillige sulfitter reagerer med hinanden og omdanner dem til sulfat og elementært svovl, som ikke er nyttige til livets oprindelseskemi. Men hvor hurtig er denne proces? Ville det have tilladt tilstrækkelige mængder af sulfitter at opbygge til at kickstarte livet?

"Ingen har faktisk undersøgt dette i dybden uden for andre sammenhænge, ​​primært spildevandshåndtering," sagde Ranjan.

Hans team satte sig derefter for at undersøge dette problem under forskellige forhold, en indsats der tog fem år fra design af eksperimenterne til publicering af resultaterne.

"Af alle de atomer, der lagerfører det præbiotiske værft, inklusive kulstof, brint, nitrogen, oxygen, fosfor og svovl, er svovl måske det torneste," skrev Sonny Harman fra NASAs Ames Research Center i en synspunktsartikel, der fulgte med publikationen. På grund af dens iver efter at indgå i kemiske reaktioner, "har svovlforbindelser en tendens til at være mere ustabile, udgøre farer for laboratoriepersonale og udstyr, tilstopper instrumentering og sætter gang i eksperimenter."

En laboratorieteknikers mareridt

I deres opsætning opløste Ranjan og hans medforfattere sulfit i vand ved forskellige niveauer af surhedsgrad eller alkalinitet, låste det ind i en beholder under en iltfri atmosfære og lod det "ældes", som Ranjan udtrykte det. Hver uge målte holdet koncentrationerne af forskellige sulfitter med ultraviolet lys. I slutningen af ​​eksperimentet udsatte de dem for en række analyser, alle rettet mod at besvare et relativt simpelt spørgsmål, sagde han:"Hvor meget af dette originale molekyle er der tilbage, og hvad blev det til?"

Sulfitter, viste det sig, ude af proportioner meget langsommere end hvad konventionel visdom holdt. Tidligere undersøgelser havde for eksempel svævet ideen om en svovldis, der opsluger den tidlige Jord, men Ranjans hold fandt ud af, at sulfitter nedbrydes under ultraviolet lys hurtigere end forventet. I mangel af et ozonlag i Jordens tidlige dage ville denne proces, kendt som fotolyse, hurtigt have renset svovlforbindelser fra atmosfæren og vandet, omend ikke helt så effektivt som den rigelige mængde ilt i nutidens verden.

Selvom det er sandsynligt, at langsom disproportionering kunne have gjort det muligt for sulfitter at akkumulere, ville fotolyse have gjort det meget usandsynligt, undtagen i visse miljøer såsom lavvandede pools, skygget for UV-stråling, især hvis de blev fodret med overfladeafstrømning for at give mineralske skjolde. Eksempler omfatter underjordiske bassiner eller lukkede bassin-karbonatsøer, dræningsløse lavninger, hvor sedimenter samler sig, men vand kun kan forlade ved fordampning.

"Tænk vandmasser som Great Salt Lake i Utah eller Mono Lake i Californien," sagde Ranjan og tilføjede, at hydrotermiske miljøer dukker op som varme kandidater til livets første optræden. Her kommer grundvand, der transporterer opløste mineraler, i kontakt med varme fra vulkansk aktivitet, hvilket skaber unikke mikromiljøer, der tilbyder "sikre rum" for kemiske processer, som ikke kunne forekomme andre steder.

Sådanne steder kan findes ved midt-ocean-rygge i dybhavet, men også på land, sagde Ranjan.

"Et moderne eksempel på dette er Yellowstone National Park, hvor vi finder bassiner, der ophober masser af sulfit, på trods af ilten," sagde han, "og det kan ske, bare fordi sulfitten konstant bliver genopfyldt af vulkansk udgasning."

Undersøgelsen giver muligheder for eksperimentelt at teste hypotesen om sulfittilgængelighed i udviklingen af ​​livets første molekyler, påpeger forfatterne. Ranjan sagde, at et forskningsfelt især har ham begejstret - fylogenetisk mikrobiologi, som bruger genomanalyse til at rekonstruere tegningerne af svovlbrugende mikroorganismer, der menes at repræsentere den ældste phyla på Jorden.

Der er tegn på, at disse bakterier får energi ved at reducere stærkt oxiderede former for svovl til mindre oxiderede. Spændende, påpegede Ranjan, er de afhængige af et ret komplekst enzymmaskineri til det første trin, der reducerer sulfat, svovls rigelige "moderne" form, til sulfit, hvilket tyder på, at disse enzymer er produktet af en lang evolutionær proces. I modsætning hertil er kun ét enzym involveret i omdannelsen fra sulfit - den foreslåede nøgleingrediens i "præbiotiske vandpyttermiljøer" - til sulfid.

"Hvis det er sandt, indebærer dette, at sulfit var til stede i det naturlige miljø i mindst nogle vandområder, svarende til det, vi argumenterer for her," sagde han. "Geologer vender sig netop nu til dette. Kan vi bruge gamle klipper til at teste, om de er rige på sulfit? Vi kender ikke svaret endnu. Dette er stadig banebrydende videnskab."

Flere oplysninger: Forskning:Sukrit Ranjan et al, Geochemical and Photochemical Constraints on S[IV] Concentrations in Natural Waters on Prebiotic Earth, AGU Advances (2023). DOI:10.1029/2023AV000926

Synspunktsartikel:Sonny Harman, The Search for Slow Sulphur Sinks, AGU Advances (2023). DOI:10.1029/2023AV001064

Leveret af University of Arizona