Första beviset på att aminosyror bildades strax efter Big Bang

Redan 1952 reproducerade kemisterna Stanley Miller och Harold Urey de förhållanden som fanns på jorden för cirka fyra miljarder år sedan. De blandade vatten, ammoniak, metan och väte i en förseglad kolv, värmde upp den och gnistor för att simulera blixtnedslag. Experimentet är känt för att kolven inom några dagar började fyllas med komplexa organiska molekyler som aminosyror, som är livets byggstenar.

Konsekvenserna var tydliga. Om livets byggstenar är enkla att producera, kanske livet i sig inte är så svårt att skapa. Det lyfte den trevande möjligheten att liv kan uppstå i universum varhelst förhållandena tillåter.

Astronomer har sedan dess funnit bevis för samma molekyler på andra planeter, i asteroider och till och med i det interstellära rymden.

Och det väcker några intressanta frågor. Hur bildades molekyler först i universum, och när uppstod de mer komplexa? Och vad tyder detta på om livets ursprung?

Idag får vi svar från Stuart Kauffmans arbete vid Institutet för systembiologi i Seattle och kollegor vid Eotvos University i Budapest. Dessa killar har simulerat hur molekyler måste ha bildats i det tidiga universum och visat hur detta reproducerar den kemiska mix som astronomer nu observerar i rymden. Arbetet har viktiga implikationer för vår förståelse av livets ursprung och för hur vi kan återskapa det i labbet med syntetisk biologi.

Först lite bakgrund. På jorden tycks livet ha startat för cirka fyra miljarder år sedan under förhållanden som är helt annorlunda än de som finns idag. Miller och Urey reproducerade dessa i sitt berömda experiment.

Men hur kom jorden till att ha denna blandning från början? Astronomer kan se bevis i rymden av enkla molekyler, som vatten och ammoniak, men också av mer komplexa sådana som polycykliska aromatiska kolväten och aminosyror. Så hur kom den här blandningen till?

Det breda svaret är att Big Bang skapade enorma mängder väte och helium, som smälte inuti de första stjärnorna för att skapa tyngre grundämnen som kol, syre och kväve. Och ytterligare stjärnbildning skapade den tyngre uppsättning element vi ser på jorden idag.

Men hur dessa element kombineras för att bilda molekyler är inte klart förstått. En anledning är att antalet möjliga molekyler är enormt. Antalet olika molekyler ökar superexponentiellt med storleken på mängden [av atomer], säger Kauffman och co.

Så de förenklar problemet genom att bara titta på massan av möjliga molekyler. Detta är en mindre grupp, och så lättare att överväga, eftersom många olika molekyler kan ha samma massa.

Fördelningen av molekyler på jorden är en bra utgångspunkt, eftersom den representerar den mest kemiskt mångfaldiga miljö som vetenskapen känner till.

Så Kauffman och co tittade på fördelningen av molekylära massor på jorden, tagna från PubChem databas av över 90 miljoner molekyler, varav de allra flesta är naturliga. Denna fördelning når sin topp vid cirka 290 dalton (ekvivalent i massa med cirka 24 kolatomer).

Men många olika molekyler har samma massa. Fördelningen har också en lång svans av molekyler med hög massa mätt i tusentals dalton.

Därefter jämförde forskarna denna fördelning med den i Murchison-meteoriten, en stor, välstuderad rymdsten som föll på staden Murchison, Australien, 1969.

Olika analyser visar att denna bergart innehåller minst 58 000 olika molekyler. Men av experimentella skäl kan massor under 200 dalton och över 2 000 dalton inte mätas, så Kauffman och co måste korrigera för detta utelämnande.

Fördelningen av massa i dessa molekyler följer sedan ett mönster som liknar det som ses i PubChem-databasen. Murchison-utbredningen når en topp på cirka 240 dalton och har en förlängd svans. Det är användbart eftersom Murchison-meteoriten härstammar från bildandet av solsystemet för cirka fem miljarder år sedan, vilket gör den till en ögonblicksbild av kemisk utveckling från en tidigare tid.

Nyckeltanken i denna artikel är att genom att jämföra de två fördelningarna är det möjligt att räkna ut när komplexa molekyler först måste ha bildats.

En viktig del av pusslet är hur detta distributionsmönster uppstod. För att ta reda på det studerar Kauffman och co utrymmet för alla möjliga kemikalier och visar att molekyler kan växa på två olika sätt.

I den första bildas större molekyler från reaktionerna från mindre molekyler i en slumpmässig ackumulering. I denna process skapas nästan alla möjliga små molekyler och kompositioner efter en viss tid, säger forskarna.

Slumpmässig ackumulering kan dock inte förklara fördelningen av mycket stora molekyler. Kauffman och co säger att dessa måste bildas i en annan process, kallad preferentiell anknytning. Till exempel byggs inte peptidkedjor eller polycykliska aromatiska kolväten via slumpmässig ackumulering av atomer, utan övervägande från ackumulering av större block som aminosyror och aromatiska ringar, säger de.

Nyckeln är att varje process leder till en annan distribution. Slumpmässig ackumulering orsakar toppen vid 240 dalton från små molekyler som bildas relativt snabbt. Företrädesfästning skapar den långa svansen av större molekyler, som bildas mycket senare.

Genom att jämföra de relativa storlekarna av dessa två utbredningar på Murchison-meteoriten och på jorden, borde det vara möjligt att extrapolera bakåt för att räkna ut när processen med preferentiell bindning först började – med andra ord när aminosyror först dök upp i universum.

Det är precis vad Kauffman och co gör. Och svaret är att aminosyror först dök upp cirka 168 miljoner år efter Big Bang, bara ett ögonblick i kosmologiska termer.

Allt detta sätter Miller-Urey-experimentet i ett helt annat perspektiv. Istället för att simulera de förhållanden under vilka liv uppstod på jorden, reproducerar detta experiment faktiskt de förhållanden under vilka aminosyror först bildades i det tidiga universum. Detta verkar faktiskt ha inträffat mycket tidigare än någon föreställt sig.

Det har betydande konsekvenser för vårt tänkande om livets ursprung. Resultaten tyder på att livets huvudingredienser, som aminosyror, nukleotider och andra nyckelmolekyler, kom till mycket tidigt, cirka 8-9 miljarder år före livet, säger Kauffman och co.

Eftersom det tog ytterligare åtta till nio miljarder år innan de exakta förhållandena under vilka livet utvecklades på jorden, kan aminosyror inte alls vara ett tecken på livspotential, som man trodde efter Urey-Miller-experimentet. Deras existens i prover är inte på något sätt en omedelbar föregångare till liv, säger Kauffman och co.

Detta förklarar också varför försök att utöka experiment som Urey och Millers över månader och år aldrig har gett något intressant. Till och med datorsimuleringar av livets ursprung har aldrig gett tydliga bevis på hur steget kan tas från aminosyror till autokatalytiska kemiska nätverk och sedan till självreproducerande livsmolekyler.

Det sätter vissa dämpar på tanken att universum kan krylla av liv. Istället kommer biologer som studerar livets ursprung att behöva titta mycket närmare på de speciella förhållanden under vilka biologisk – eller, som Kauffman och co uttrycker det, postkemisk – evolution sker. Livets hemligheter är kodade i interaktionerna och den postkemiska utvecklingen av dessa molekylfamiljer, säger de.

Det är klart att det finns mycket arbete att göra.

Ref: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : The Clock of Chemical Evolution

Dölj