A kőzetrepedésekben áramló hő lehetett a kulcsa annak, hogy az ősi Földön ki tudtak alakulni az élet létrejöttéhez nélkülözhetetlen komplex biológiai molekulák és építőköveik – állítja egy friss kutatás, amely laboratóriumi kísérletekkel igazolta a folyamat működőképességét.

A Thomas Matreux és Paula Aikkila, a müncheni Lajos–Miksa Egyetem kutatói és kollégáik által vizsgált mechanizmus a feltételezések szerint lehetővé tette, hogy felszín alatti vulkanikus területeken vagy hidrotermális rendszerekben a fehérjékhez, vagy az RNS-hez hasonló molekulák jöjjenek létre aminosavakból és nukleotidokból a repedéseket kitöltő vízben.

A hőáramlás által vezérelt folyamathoz „csak vízzel teli kőzetrepedésekre és valamilyen hőforrásra van szükség. Mindkét feltétel könnyen adott lehet más, [a csillagok körüli] lakhatósági zónában keringő égitesteken” – nyilatkozta a Qubitnek Christof Mast, a Lajos–Miksa Egyetem biofizikusa és a kutatás vezetője. A Föld mellett a mechanizmus így akár az ősi, vulkanikusan aktív Marson is működhetett, ahol a felszínen időszakosan mintegy kétmilliárd éven keresztül létezett folyékony víz.

Köztes lépések

A kutatók, amint azt a szerdán a Nature folyóiratban publikált tanulmányukban bemutatják, kísérletekkel bizonyították, hogy parányi, néhány száz mikrométeres kőzetrepedésekben zajló hőáramlás képes lehetett szétválasztani több mint 50, a prebiotikus folyamatokban fontos szerepet játszó molekulát aminosavak, DNS- és RNS-bázisok, valamint nukleotidok komplex elegyéből. A különböző molekulák elkülönítése mellett a földkéregben széles körben előforduló repedésekben a hőáramlás a vegyületeket egy-egy helyen akár ezerszeres mértékben is feldúsíthatta.

Mast az egyetemen Dieter Braunnal közösen vezetett laborjukban azon dolgozik, hogy kísérleti eszközökkel megértsék, miként mehettek végbe a molekuláris evolúció kezdeti lépései a Földön. Ahhoz, hogy a prebiotikus reakciók „hasznos” molekulákat eredményezzenek, köztes lépések kellenek a kémiai reakciókban – írta kérdésünkre –, amelyek lehetővé teszik a molekulák fizikai elkülönülését, vagy éppen összekeveredését.

Enélkül a szakember szerint nagyon kicsi annak az esélye, hogy a reakciókban valóban létrejöjjenek a biomolekulák építőkövei. A hőáramlás által biztosított szétválasztódás hiányában ugyanis „a nem kívánt köztes termékek további reakciókban vehetnek részt, ami több melléktermék létrejöttéhez vezet és lecsökkenti a [kívánt molekula] reakció hozamát”, vagyis az csak minimális koncentrációban tud megjelenni.

„Fontos [eredmény], de nem jelent áttörést, mivel a termodiffúzió [a hőmérséklet-különbség hatására végbemenő anyagáramlás] alapvető hatása jól ismert, és Dieter Braun kutatócsoportja 2007 óta vizsgálja azt alaposan az élet keletkezésének kontextusában” – nyilatkozta a Qubitnek William Martin, a Düsseldorfi Egyetem Molekuláris Evolúciós Intézetét vezető professzor és a terület egyik legelismertebb kutatója.

Martin szerint az viszont újdonság, hogy a szakemberek kísérleteikben aminosavak komplex kémiai keverékekből típus szerint történő szétválasztódását demonstrálták. „Egyesek a [hőmérsékleti] gradiens hidegebb régióiba vándorolnak, mások pedig a melegebbe” – írta. Régebbi tanulmányoknál, amelyek a hőmérsékleti gradiens hajtóerejével (termoforézis) foglalkoztak, az evolúcióbiológus szerint nehéz volt megmondani, hogy kimértek, vagy kiszámoltak valamit. „Itt pedig világos különbségtétel van” – tette hozzá.

Százezerszer nagyobb koncentrációt értek el a hőáramlással

A kísérletek lefolytatása kihívást jelentett, írta Mast, mivel két analízis között már a hőmérsékleti gradiens apró különbségei is jelentős eltérésekhez vezettek abban, hogy miként dúsulnak fel a molekulák. Emellett ahhoz, hogy meghatározzák, milyen távolra sodródtak a hőmérséklet-különbség hatására az oldott anyagok a komplex keverékben, egy új módszert kellett kidolgozniuk. Ennek során lefagyasztják a reakcióknak otthont adó, 170 mikrométeres kőzetrepedéseket modellező kamrát, majd különböző részein megvizsgálják a molekulák koncentrációját és azonosítják azokat.

Ahhoz, hogy leteszteljék, miként segíthette a hőáramlás által hajtott kémiai szétválasztás a prebiotikus kémiai reakciókat, a glicin dimerizációját vizsgálták. A reakció során, amelyet vizes közegben egy trimetafoszfát (TMP) nevű enzim katalizál, a legegyszerűbb aminosav két molekulája egy molekulapárt alkot. A kísérletek során a hőáramlás jelenlétében a kutatók százezerszeres emelkedést figyeltek meg a létrejövő molekulapárok koncentrációjában.

Mast szerint azért éppen a glicin dimerizációját választották, mert ez egy jól ismert reakció, amihez magas koncentrációban kell jelen lennie a trimetafoszfátnak. Az enzim nagyon ritka volt az ősi Földön, így pont a hőáramlás és a kőzetrepedések által a helyi feldúsulását lehetővé tevő környezet volt kulcsfontosságú ahhoz, hogy kémiai reakciókat tudjon katalizálni. Mivel a TMP a glicinhez képest sokkal erősebben reagál a hőmérsékleti gradiens hajtóerejére, nagyon jól feldúsult, amitől magas lett a reakcióhozam is. „A jövőben más prebiotikus és komplex kémiai reakciókkal is foglalkozni fogunk” – írta.

Az építőkövek vízhiányos környezetekben állhattak össze nagy molekulákká

De pontosan milyen körülmények között kapcsolódtak össze az aminosavak fehérjeláncokká, vagy a nukleotidok DNS-hez és RNS-hez hasonló nukleinsav polimerekké? Bár erre nem tér ki a tanulmány, az élet keletkezésének megértésével foglalkozó szakemberek több lehetőséget is felvázoltak az elmúlt évtizedekben a probléma megoldására.

Ezekben közös, hogy a polimerek létrejöttéhez ideiglenes vízhiányra (alacsony vízaktivitásra) van szükség. Ilyenek Mast szerint előállhatnak a repedésekben létrejövő mikroszkopikus gázbuborékokban is, míg Martin és kollégái egy 2020-as tanulmányukban arról írnak, hogy a hidrotermális kürtők tele vannak parányi, alacsony vízaktivitású környezetekkel.

Egy másik lehetőség, hogy tavak és pocsolyák időről időre kiszáradtak az ősi földfelszínen, és így nedves-száraz ciklusok követték egymást. Martin szerint ez elsősorban az RNS-világgal (ahol az RNS egyszerre lehetett örökítőanyag és katalizált kémiai reakciókat) foglalkozó kutatók körében közkedvelt – aminek a létezését ő valószínűtlennek tartja. A nedves-száraz ciklusokkal az evolúcióbiológus szerint az a probléma, hogy már 0,2 milliméternyi eső is képes lenne elmosni az így létrejövő biomolekulákat, vagyis azok nem nagyon tudnak felhalmozódni.

A kutatók a tanulmányuk végén megemlítik, hogy a kőzetrepedések összeköttetésben állhattak felszíni tavakkal és pocsolyákkal is, amiknek az élet keletkezésében betöltött szerepét már sokat vizsgálták. Martin azt állítja, hogy az emberek még mindig Charles Darwin „meleg kis pocsolyáinál” vannak leragadva, amely koncepció egy olyan korból ered, amikor senki nem tudta, hogy miből épülnek fel a sejtek, és azok az alkotóelemek mit csinálnak. A pocsolyák hívei szerinte nehezen tudják elfogadni az élet kőzetekben történő létrejöttét, ahol maguk a kémiai reakciókat katalizáló molekulák is megtalálhatók.