113 - Prawdopodobne pochodzenie życia26 lipca 2017 r. Ogólne François Roddier
[Poniższy tekst to francuskie tłumaczenie przedstawionej przeze mnie propozycji badawczej mającej na celu zbadanie pochodzenia życia za pomocą eksperymentu DECLIC na pokładzie stacji kosmicznej]
Pierwsze próby badań
Według Maynarda Smitha i Eörs Szathmary (1) pierwszą poważną propozycją badania pochodzenia życia są AI Oparin (1924) i JBS Haldane (1929). Argumentowali, że gdyby we wczesnej atmosferze brakowało wolnego tlenu, można by zsyntetyzować wiele różnych związków organicznych przy użyciu energii dostarczanej przez światło ultrafioletowe i wyładowania piorunowe.
W 1953 r., Za radą Harolda Ureya, Stanley Miller przetestował tę hipotezę, powodując wstrząsy elektryczne w obudowie zawierającej wodę, metan i amoniak. Wytworzył wiele różnych związków organicznych, w tym nukleotydy, które tworzą RNA i DNA.
Jednak niezbędne cząsteczki były nieobecne lub zostały uzyskane jedynie w bardzo niskich stężeniach. Przede wszystkim wytwarzane reakcje nie były specyficzne, co utrudnia zrozumienie, w jaki sposób mogły powstać polimery, których wiązania chemiczne są bardzo specyficzne.
W serii artykułów opublikowanych w latach 1988–1992 Günter Wächtershäuser zasugerował, że mogły zachodzić reakcje między jonami przyłączonymi do naładowanej powierzchni. Przyciąganie między ładunkami przeciwnych znaków powoduje, że jony w roztworze przyczepiają się do naładowanych powierzchni. Mogą poruszać się powoli po powierzchni, zachowując tę samą orientację, co znacznie zwiększa zarówno szybkość, jak i specyficzność reakcji chemicznych.
Ostatnio naukowcy wykazali, że zamykanie cząsteczek w małych kroplach cieczy znacznie poprawia szybkość reakcji, sugerując zastosowanie w chemii prebiotycznej (2). Te wyniki potwierdzają otwory hydrotermalne jako możliwe źródło życia, ale nie wspomina się o krytycznym punkcie wody (3).
Samoorganizacja i krytyczność
W ciągu ostatnich 50 lat zgromadzono dowody, że procesy samoorganizacji zachodzą, gdy siły przyciągania równoważą siły odpychania. Mają one ten sam charakter co ciągłe przejścia fazowe obserwowane w płynach w krytycznym stanie opalescencji w tak zwanej temperaturze krytycznej. Analogię tę po raz pierwszy rozpoznali Per Bak i in. (4), w odniesieniu do wszechobecności hałasu wymienionego w 1 / f. Nazwali ten proces „samoorganizującą się krytycznością”.
Typowym przykładem jest powstawanie gwiazd w astrofizyce. Niestabilność dżinsów, która pozwala na formowanie się gwiazd, jest rzeczywiście tego samego rodzaju, co powoduje krytyczną opalescencję. W obu przypadkach fluktuacje gęstości są zgodne z prawem mocy (hałas znany jako 1 / f), na co wskazuje rozkład początkowych mas nowych gwiazd.
W swojej książce „Samoorganizujący się wszechświat” Erich Jantsh (5) wykazał, że cały wszechświat samoorganizuje się według podobnych sekwencji zdarzeń. Powolna „makroewolucja”, podczas której duże struktury kondensują, naprzemiennie z szybką „mikroewolucją”, podczas której powstają nowe elementarne składniki. Ryc. 1 podsumowuje ten proces. Zgodnie z tym schematem tworzenie gwiazd jest częścią makroewolucji. Powoduje powstawanie nowych atomów, takich jak hel, które są cięższe od atomów wodoru. Tworzenie helu jest częścią mikroewolucji.
Rys. 1. Samoorganizacja wszechświata według Erica Jantscha (1980)
Idąc za Perem Bakiem, możemy uznać makroewolucję Jantscha za ciągłe przejście fazowe, a jego mikroewolucję jako nagłe przejście fazowe, innymi słowy ewolucję całego wszechświata można postrzegać jako proces oscylujący wokół „punkt krytyczny” (patrz ryc. 2).
Samoorganizacja i rozpraszanie energiiIlya Prigogine wykazała, że samoorganizacja jest cechą struktur rozpraszających, to znaczy struktur, które pojawiają się spontanicznie w obecności stałego przepływu energii. Żywe istoty lub komórki Benarda są strukturami rozpraszającymi.
Struktury rozpraszające zachowują się jak maszyny termiczne: wykorzystują różnice temperatur do wykonywania prac mechanicznych. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki znaną jako zasada Carnota, jest to możliwe tylko zgodnie z cyklami transformacji. Pierwsze maszyny termiczne wykorzystywały przemianę ciecz-para w wodzie, aby uzyskać duże zmiany objętości.
Silniki samochodowe są bardziej wydajne, ponieważ wykorzystują znacznie większe różnice temperatur, aby wytwarzać te same zmiany objętości. Jednak znacznie mniejsze wahania temperatury wystarczają do wyprodukowania naturalnych maszyn termicznych, takich jak ogniwa Bénarda. Jest to szczególnie prawdziwe w pobliżu punktu krytycznego, w którym bardzo małe różnice temperatur powodują bardzo duże zmiany objętości.
Punkt krytyczny wodyKrytyczne ciśnienie wody wynosi 220 barów, a jego temperatura krytyczna 374 ° C. W słonej wodzie, takiej jak ocean, punkt krytyczny ma nieco ponad 2.200 m głębokości, podczas gdy w otworach hydrotermalnych temperatura z łatwością przekracza 374 ° C.
Weźmy pod uwagę wodę ze źródła hydrotermalnego położonego poniżej 2.200 m, którego temperatura jest nieco wyższa niż 374 ° C. Jego gęstość jest mniejsza niż gęstość otaczającej wody, tworząc pióro konwekcyjne. Podczas wznoszenia ciśnienie spada. Jego temperatura pozostaje przez chwilę wyższa niż temperatura otoczenia, aż do momentu, gdy, gdy stanie się zimniejsza, schodzi w kierunku źródła, zamykając pętlę konwekcyjną. W pewnym momencie woda dociera do strefy kondensacji. Tworzą się drobne kropelki. Ciekła woda jest następnie powoli i ciągle przekształcana w parę wodną bez tworzenia pęcherzyków.
Rys. 2. Powierzchnia powyżej pokazuje stan wody wokół punktu krytycznego.
Szary obszar to obszar kondensacji.
Ryc. 2 pokazuje stan wody we wstrzykiwaczu konwekcyjnym, gdy opisuje okrąg wokół punktu krytycznego, jak wskazuje strzałka. Podczas gdy przejście ze stanu ciekłego do stanu gazowego jest ciągłe, przejście ze stanu gazowego do stanu ciekłego jest nagłe. Okresowo woda skrapla się, tworząc drobne kropelki ciekłej wody, które rosną, aż woda stanie się całkowicie płynna. Następnie opada w kierunku źródła hydrotermalnego, gdzie jest podgrzewane powyżej temperatury krytycznej. Następnie jest stale przekształcany w parę, bez tworzenia pęcherzyków gazu.
Kondensacja gazu w ciecz w pobliżu punktu krytycznego nazywa się „krytyczną opalizacją”. Występują bardzo duże fluktuacje gęstości, warunek sprzyjający tworzeniu mikrokropel. W oceanie również inne cząsteczki mogą się kondensować. Cząsteczki polarne utrzymają tę samą orientację w stosunku do powierzchni kropelki, promując w ten sposób wiązania polarne. Warunki te są szczególnie korzystne dla tworzenia złożonych cząsteczek organicznych.
Możliwość przetestowania pochodzenia życia
Chociaż warunki opisane powyżej są odpowiednie do tworzenia złożonych cząsteczek organicznych, prawdopodobieństwo wystąpienia takich reakcji pozostaje niskie, chyba że ta sama sytuacja powtórzy się przez bardzo długi okres czasu.
Z grubsza możemy oszacować, że czas na cyrkulację wody w piórku konwekcyjnym wynosi około jednego dnia, podczas gdy żywotność aktywnego podwodnego wulkanu wynosi około miliona d lat. Te same warunki można więc powtórzyć kilkaset tysięcy razy. Oczywiste jest, że jeśli chcemy powtórzyć ten proces w laboratorium, należy go znacznie przyspieszyć.
Doświadczenie DECLIC oferuje taką możliwość. DECLIC to doświadczenie na pokładzie międzynarodowej stacji kosmicznej. Jedna z wersji ma na celu badanie reakcji chemicznych w pobliżu punktu krytycznego wody. Jego nieważkie środowisko pozwala na równomierne wytwarzanie krytycznych warunków w całej objętości z dokładnością do trzech miejsc po przecinku. Powinno być możliwe dostosowanie tych warunków do okrążenia punktu krytycznego w ciągu kilku sekund, a nie dni. W porównaniu z warunkami początkowymi życia przyspieszyłoby to proces o co najmniej 5 rzędów wielkości, prawdopodobnie więcej, ponieważ warunki eksperymentu byłyby stale utrzymywane bardzo blisko punktu krytycznego.
Jeśli możliwe jest śledzenie składu chemicznego komory reakcyjnej w funkcji czasu, powinniśmy być w stanie rozmnażać się w ciągu kilku miesięcy i obserwować reakcje chemiczne, które trwały miliony lat. Zdecydowanie zalecamy umieszczenie takiego doświadczenia w programie DECLIC.
François Roddier
1 John Maynard Smith i Eörs Szathmary, The Origins of life, Oxford (1999).
2 Ali Fallah-Araghi i in. Ulepszona synteza chemiczna w miękkich interfejsach: uniwersalny mechanizm reakcji i adsorpcji w mikrokompartmentach.
3K. Ruiz-Mirazo, C. Briones i A. de la Escosura, Prebiotic Systems Chemistry: Nowe perspektywy początków życia, Chem. Rev. 114, 285 (2013).
4 Per Bak, Chao Tang i Kurt Wiesenfeld, Samoorganizowana krytyczność: wyjaśnienie 1 / f Noise, Phys. Rev. Listy 4, t. 59 (1987)
5 Erich Jantsch, Samoorganizujący się wszechświat, Pergamon (1980).
[Propozycję tę popiera Roger Bonnet, były dyrektor naukowy w ESA].