Így jöhettek létre az élet építőkövei a Föld ősi óceánjaiban

A NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) intézetének kutatói laboratóriumi körülmények között reprodukálták, hogyan jöhettek létre aminosavak a Föld ősi óceánjainak aljzatán, közel 4 milliárd évvel ezelőtt. A Laura Barge által vezetett kutatócsoport tanulmányát a PNAS tudományos folyóirat publikálta.

Vizsgálataik célja aminosavak előállítása volt az ősi óceánok aljzatára jellemző anyagok és viszonyok jelenlétében. A kísérleteik során sikeresen alanin aminosav molekulák keletkeztek piruvátból, amely egy egyszerű szerves vegyület. A kémiai reakcióban kevésbé megfelelő körülmények között laktát, a tejsav anionos formája jött létre. Az aminosavak az élet alapvető építőkövei, amelyek a genetikai kód által meghatározott sorrendben, polipeptid láncokba rendeződve hozzák létre a fehérjéket és azok lenyűgöző változatosságát.

A kutatók a Föld korai óceánjaiban gyakori anyagokat használtak kísérleteikben. Vízzel vegyítettek kémiai reakciók elősegítésére képes vas-hidroxid ásványokat, illetve olyan egyszerű szerves molekulákat, mint a piruvát vagy az ammónia, majd  az elegyet 80 fokos hőmérsékletig hevítették, és lúgos kémhatásúvá tették. Az ősi körülmények szimulálásához kivonták az oxigén nagy részét a keverékből, mivel az jelentős mennyiségben csak 2.45 milliárd évvel ezelőtt kezdett megjelenni az óceánokban. A vas-hidroxid ilyen körülmények között elősegítette az alanin aminosav keletkezését piruvátból, egy a piruváthoz aminocsoportot hozzáadó, reduktív aminálási reakció során. A reakció melléktermékeként vagy kedvezőtlenebb körülmények esetén tejsav keletkezett. Aminosavak a kísérletekben csak akkor jöttek létre, ha a vas-hidroxid ásványok redukált és oxidált vasat is tartalmaztak.

A kísérletek során a legnagyobb mennyiségű alanin aminosav lúgos körülmények között, közepesen magas hőmérsékleten keletkezett, amikor a redukáló, vas-II vegyületek és oxidált vas-III vegyületek egy-egy arányban voltak jelen a vas-hidroxid ásványokban. A kutatók szerint pontosan ezek a körülmények fordulnak elő vastartalmú üledékes lerakódásokban, hidrotermális kürtők közelében.

„Megmutattuk, hogy a korai Földhöz és esetleg más bolygókhoz hasonló geológiai viszonyok között aminosavak és alfa-hidroxi savak keletkeznek egyszerű reakciók során, az ősi tengeri aljzaton jellemző, barátságos környezetben.”

- összegezte eredményeiket Laura Barge, a kutatás vezetője.

Aminosavak üstökösökből?

Aminosavak azonban nem csak a Föld ősi óceánjainak mélyéről származhatnak. A szerkezetét tekintve legegyszerűbb aminosavra, a glicinre már üstökösökön is rábukkantak kutatók. 2009-ben a Stardust-űrszonda által a Wild-2 üstökös kómájából visszahozott mintákban sikeresen azonosították a molekulát. A szén-atomjaik 12C és 13C izotóp arányának vizsgálata alapján pedig nagyon valószínű, hogy nem földi szennyeződés eredményéről van szó.

A 67P-Csurjomov-Geraszimenko üstökös, melyen az európai Rosetta-űrszonda glicin aminosav jeleit detektálta.Fotó: ESA/Rosetta/NAVCAM

Három évvel ezelőtt az Európai Űrügynökség, az ESA Rosetta űrszondája még biztosabb bizonyítékot hozott a glicin aminosav üstökösökön való jelenlétére. A szonda ROSINA spektrométere, melynek feladata a 67P-Csurjomov-Geraszimenko üstökösből távozó gázok összetevőinek megállapítása, érzékelte a glicin jelenlétét.

Mindez arra enged következtetni, hogy az élet kialakulásához szükséges egyes szerves molekulákat üstökösök szállíthatták a Földre, míg többségük az ősi óceánok mélyén jöhetett létre.

Hidrotermális kürtők - a földön kívüli élet kutatásának kulcsai?

Laura Barge JPL-es kutatócsoportja a hidrotermális kürtők környéki tengeri üledék mellett magukat a kürtőket is megpróbálta modellezni kísérleteik során.

A hidrotermális kürtők a tengeri aljzat repedéseinél keletkeznek, olyan vulkanikusan aktív területeken, mint a Közép-Atlanti hátság. A hidrotermális rendszerben a tengerfenék alá szivárgó vizet, amely a nagy nyomásnak köszönhetően továbbra is folyékony halmazállapotban van, több száz fokosra hevíti a magma. A kőzetrétegekből előtörő víz ásványianyag-tartalma a hideg tengervízzel érintkezve kirakódik, és a benne található anhidrit és szulfid ásványok természetes kéményeket hoznak létre.

Egy "fekete füstölgő" hidrotermális kürtő a Közép-Atlanti-hátságban.Fotó: NOAA/National Undersea Research Program (NURP)

Legismertebb típusuk az úgynevezett „fekete füstölgők”, amelyek az általuk kibocsátott fekete, ásványi anyagokban gazdag vízről és sötét színű kéményeikről kapták nevüket. Az általuk kibocsátott hidrogén-szulfid oxidációjának segítségével a kemoszintetizáló baktériumok és archeák komplex szerves molekulákká alakítják a szén-dioxidot. A baktériumokkal szimbiotikus kapcsolatban élő, az általuk termelt tápanyagokat hasznosító Siboglinidae családba tartozó csőférgek a kürtők köré épülő életközösség egyik legfontosabb tagját képezik. Rajtuk kívül a különleges élőhelyek több száz, a gyűrűsférgek, a csigák, a kagylók, a rákok, a halak és a polipok közé tartozó fajoknak ad otthont, melyek együttesen komplex táplálékláncot hoznak létre.

A kísérletekhez üvegedényekben létrehozott néhány centiméteres, kirakódott ásványokból álló kémény formációk azonban nem vezettek sikerre, mert nem sikerült bennük elérni az alanin aminosav-szintézisét. Ennek oka a szakemberek szerint többek között a mesterséges kémények parányi mérete, a rendelkezésre álló ásványok kis mennyisége és a rövid kísérleti időtartam lehetett.

A miniatűr hidrotermális kémény létrejötte a laboratóriumi kísérlet során.Gif: NASA/JPL-Caltech/Flores

A kutatások azonban tovább folynak, és a még összetetteb kísérleti megoldások könnyen sikerre vezethetnek. A hidrotermális kürtőket 1977-es felfedezésük óta intenzív tudományos érdeklődés övezi, hiszen azokra a Nap által biztosított energiától független, virágzó, mélytengeri ökoszisztémák épülnek. Kiváló élőhelyül szolgálhatnak olyan Naptól távoli, jégréteggel borított óceánokban, mint amelyek a Jupiter Europa holdján vagy a Szaturnusz Enceladus holdján léteznek. 

A hamisszínes, feljavított képen a Szaturnusz Enceladus holdjának aktív gejzírjei láthatók a Cassini űrszonda felvételén. A Cassini a gejzírek anyagának vizsgálatával bizonyítékot szolgáltatott az Enceladus-on zajló hidrotermális aktivitásra.

Utóbbi esetben a Cassini űrszondának köszönhetően szinte egyértelmű bizonyíték is van hidrotermális aktivitásra. A JPL-ben dolgozó kutatócsoport eredményei így a jövő űrszondás küldetéseit is befolyásolhatják majd.